Pirmas savarankiškas gamtamokslinis fakultetas Vilniaus universitete buvo Gamtos istorijos katedra, įkurta 1781 m. XIX amžiuje universitete dirbo bei skaitė paskaitas gamtamokslinėmis temomis tokie visoje Europoje garsūs mokslininkai kaip Ž.E. Žiliberas, S.B. Jundzilas, J.Jundzilas, L.H.Bojanus, E.Eichvaldas, G.Forsteris ir kiti. tačiau dabartinis Gamtos mokslų fakultetas susiformavo jau po Antrojo pasaulinio karo, vietoj Stepono Batoro universitete veikusio (įkurto 1919 metais) analogiško pagal pavadinimą fakulteto. 1940 metų pabaigoje, pasikeitus Lietuvoje situacijai, Vilniaus universitete pradžioje buvo įsteigtas gamtamokslinis fakultetas su matematikos, fizikos, chemijos, biologijos, medicinos ir farmacijos skyriais. Po karo, 1944 metų pabaigoje, įsteigus savarankiškus Matematikos, Fizikos, Chemijos ir Medicinos fakultetus, susiformavo analogiškos struktūros dabartiniam Gamtos mokslų fakultetas su svarbiausiais padaliniais Biologijos, Geografijos ir Geologijos mokslų katedroms. Antroje XX amžiaus pusėje Gamtos mokslų fakultete dirbo tokie žymūs mokslininkai bei visuomenės veikėjai kaip T.Ivanauskas, K. Šleževičius, P.Šinkūnas, J.Dalinkevičius, M.Kaveckis, V.Chomskis, K.Bieliukas, P.Slavėnas, B.Styra, A.Basalykas, J.Dagys, Č.Kudaba, A.Minkevičius, M.Natkevičaitė-Ivanauskienė ir kiti. Dabar Gamtos mokslų fakultete yra 8 katedros, 11 mokslinių ir mokomųjų laboratorijų, Botanikos sodas, Kartografijos bei Ekologijos ir aplinkotvarkos centrai. 2009 m. GMF dirbo 234 darbuotojai. Iš jų 136 priklauso pedagoginiam (30 profesoriai, 89 docentai, 17 lektorių) ir 55 moksliniam personalui. Fakultete ruošiami daugelio profesijų specialistai, kurie savo įgūdžius panaudoja dirbdami mokslo institutuose, ministerijose, savivaldybėse, saugomose teritorijose, mokyklose ir daugelyje kitų organizacijų.