1937年抗日战争爆发，东北、华北、华东大部分地区被日军侵占，使桑志华的采掘工作被迫中断。1938年日军侵占天津，桑志华回国，北疆博物院也基本停止了采掘与研究工作。1938年至1949年，北疆博物院处于看守阶段。
1951年2月，北疆博物院由私立津沽大学代管。1951年9月，天津市委宣传部接收北疆博物院。 1952年6月，天津市人民政府批准在北疆博物院的基础上组成天津人民科学馆筹备委员会，1952年11月，天津市人民科学馆成立。1957年6月，天津人民科学馆更名为天津市自然博物馆。1959年陈列展览和办公地址迁至河西区马场道272号（原英国跑马场的马厩）。同年，时任政务院副总理、文化教育委员会主任、中国科学院院长郭沫若先生为该馆题写了馆名。1968年8月，天津市历史博物馆、天津市艺术博物馆、天津市自然博物馆合并，组建天津市博物馆。1973年12月，恢复各博物馆建制。1974年1月，更名为天津自然博物馆。1975年在原址改建展室，1978年建成开放。
1997年天津市政府投资在原址翻建天津自然博物馆，1998年重新开放。新馆占地2万平方米，建筑面积1.2万平方米，由陈列馆、藏品库、业务用房、植物园四个功能区组成。主体建筑“海贝含珠”造型，寓意天津自然博物馆是渤海之滨的一颗明珠。
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