Центральное здание музея (1) было построено в конце XVIII века. С начала XIX века оно было резиденцией губернатора Олонецкой губернии. Жители города называли его проще – Губернаторский дом. Здание являлось частью архитектурного ансамбля главной площади города, на которой располагались также губернские присутственные места. В 1871 году в Губернаторском доме по инициативе губернатора Г.Г.Григорьева был основан Олонецкий естественно-промышленный и историко-этнографический музей. Сегодня в этом здании располагается постоянная экспозиция Национального музея Республики Карелия.

Историческое здание (2) по ул. Ф.Энгельса, д.5 было построено в конце XVIII века для начальника Олонецкого горного округа, в чьем ведении были все пушечно-литейные заводы Олонецкой губернии. Сейчас в этом здании открыт выставочный комплекс, на первом этаже которого расположена интерактивная площадка «Медвежий угол», а на втором - экспозиция «Природа Карелии», представляющая многообразный природный мир Карелии. Более двухсот видов животных размещены в витринах и диорамах «Животные леса» и «Обитатели Белого моря». Здесь можно услышать звуки леса, голоса птиц и зверей, научиться распознавать животных по их следам. Современные музейные средства – различные игровые комплексы и мультимедийные программы позволяют посетителям приобрести чувственный опыт общения с природой, развить память, воображение, расширить свои знания о растительном и животном мире Карелии.

При входе в Губернаторский сад располагается экспозиционная площадка с предметами, связанными с историей горнозаводского дела в Карелии.