Initialement logé au Collège des Jésuites, actuellement Ecole de Musique à la Place du Théâtre, le Musée occupait le troisième étage et une aile construite pour lui à l’est du bâtiment. De 1876 à 1892, il séjourna dans le bâtiment de Torrenté, à la Rue de Lausanne 23, actuelle adresse d’une partie des services de l’administration de la Ville de Sion. En 1885, la Haute Assemblée décida la construction d'un édifice au nord de la Place de la Planta, destiné à recevoir plusieurs institutions : le Collège, le Musée, les Archives et la Bibliothèque cantonale, l’ambition étant de donner au Musée de la nature un caractère scientifique ; il devait contenir une collection aussi complète que possible pour représenter le Valais sous les rapports minéralogique, botanique et zoologique,. Le Musée y fut aménagé en 1892. En 1906, les collections de minéralogie furent installées dans les combles du bâtiment annexe du collège comprenant la salle de gymnastique et l’auditoire. Le Musée de la nature y fut finalement transféré en 1947, avec les armoires vitrines de 1892 ainsi que de nouveaux meubles pour recevoir les collections entomologiques et minéralogiques. L’exposition permanente a été renouvelée par étapes entre 2002 et 2010. Le transfert des salles d’exposition en 2013 a permis une refonte totale de la présentation des collections.
Bâtiments
Depuis sa création en 1829, le Musée a occupé cinq bâtiments différents: le Collège des Jésuites, à la Place du Théâtre, le bâtiment communal à la rue de Lausanne 23, la partie médiane du Collège à l’avenue de la Gare 40, l’ancienne salle de gymnastique à l’avenue de la Gare 42, actuel siège de la direction du Musée, et enfin, depuis 2013, les deux bâtiments de la Grange-à-l’Evêque, à la rue des Châteaux 12.