1917年，博物馆馆藏标本达千余件，涵盖古生物、矿物、岩石、构造等各学科。1934年，馆址由景山东街北大二院迁至沙滩地质馆，为独立馆址，该馆由建筑学家梁思成先生设计，校长蒋梦麟奠基，现为北京市文物保护单位。北京大学地质陈列馆设立了动力地质陈列室、古生物地层陈列室、古植物陈列室、矿物岩石陈列室。

1952年，院系调整，馆藏全部并入新组建的北京地质勘探学院（现中国地质大学（北京））。1955年，北大地质学系恢复招生，陈列馆也重建于燕园，地质陈列馆又在北京大学重建，并开始收藏各种地质标本。其中的珍品有三叶虫、茂名龟、水晶黄铁矿晶簇、雌黄方解石晶簇、辉锑矿晶簇、白云石晶簇及雄黄单晶晶体等。至1972年馆藏超过三千件，成为国内外学术交流的良好平台。

1991年，新地学楼落成，地质陈列馆步入新的发展时期，分为一层陈列馆和地下信息室、模具工作室、化石修理修复技术室、四个档案馆及综合展示馆，总面积约5800平方米。馆藏标本近万件，包括生物化石类、岩石类、矿物类、矿床类、地热类、构造地质类、实验类等，此外还有极其珍贵的前苏联在五十年代赠送给我国的一整套精美的古生物化石标本。在北京大学211工程支持下，建成设施完备的地质档案馆，成为国家理科基础科学研究和教学人才培养基地；在教育部远程教育——大学数字化博物馆（中央财政专项）资助下建成北京大学数字地质博物馆，使北京大学地质博物馆这一重要教育资源实现了远程共享；由学校“985”工程及国家自然基金等资助开展的“中国南方重要三叠纪海生脊椎动物群综合研究”科研课题，为博物馆积累了一大批兼具观赏和科研价值的珍稀海生脊椎动物标本。

2009年北京大学地质学系百年系庆之际，正式更名为北京大学地质博物馆。2010年被北京大学正式确认为“北京大学理工科虚体研究机构”。

2011年，在孟涛明宝石矿物博物馆的支持下，举办“孟涛明宝石矿物特展”，展示了30余件精美矿物。

2012年4月在北京市教委倡导和支持下，北京地区18家高校的19个博物馆组成了北京高校博物馆联盟，北京大学是该联盟发起单位之一。联盟依托高校博物馆资源，提高高校博物馆辅助高等教育教学、科研的能力和承担社会服务、文化传承能力。

2018年时值北京大学建校120周年，博物馆一层重新装修布展：更换制作背景说明海报、标本按照地质学科重新分类排布、更换及补充部分展品。

2019年，北京大学地质学系110周年，博物馆与校外单位合作，举行“精美矿物”临展，现已举办两期，展示了单质矿物、氧化物矿物20余件，同时进行海报展示及科普文章推送，现阶段在展的是硫化物矿物展。