Inaugurado em 1898 apenas com um piso térreo, foi em 1917 que se iniciou a construção de um piso superior sobre a fachada principal do edifício, dando origem a vários espaços museológicos, entre os quais o atual Salão Nobre.
Em 1943, concluídas as obras, o museu do Aquário Vasco da Gama reabriu ao público, com a exibição de um vasto conjunto de peças da Coleção Museu Oceanográfico do Rei D. Carlos I.
Com o crescimento das coleções, foram necessárias novas obras de ampliação e a partir de 1980 abre ao público um novo espaço museológico, a Sala Nova. É também na década de 80 que a formação de vários preparadores e taxidermistas, nacionais e estrangeiros, dá origem a um laboratório de taxidermia. São criados inúmeros exemplares naturalizados, assim como reproduções em fibra de vidro e resinas sintéticas de animais marinhos de grandes dimensões, muito apreciados pelo grande público.
Um pouco mais tarde, em 1986, dá-se a última ampliação dos espaços museológicos do Aquário Vasco da Gama. A criação da Sala de Malacologia, resultado da reconversão de um antigo gabinete, permitiu abrir ao público uma exposição com mais de 600 exemplares de conchas da costa portuguesa.