自然科学院的前身是自然科学研究院。1939年5月，为了保证陕甘宁边区工业生产的发展，促进同防、经济建设，中共中央决定在延安创办自然科学研究院。1939年底，在中央财经部召开的自然科学讨论会上，一些专家学者提出以现有的科技人员为师资，自然科学研究院为基地，成立自然科学研究院。1940年1月，中共中央决定将自然科学研究院改为工、农、科性质的教育机构——自然科学院。院长由李富春兼任，副院长陈康白，学院属中央财经部领导。1940年9月1日，自然科学院举行开学典礼。1941年1月，学院改属中央文委领导，徐特立接任院长。1941年9月，又开办了医训班，一年半后转入医科大学。1941年12月年底，中央规定：“延安大学、鲁迅艺术学院、自然科学院为培养党与非党的各级高级与中级专门的政治、文化、科学及技术人才的学校。”1943年10月，学院从马家湾迁到东川桥儿沟，与延安大学、鲁艺正式合并，成为延安大学的一个学院。

1945年8月，抗战胜利后，中共中央决定将自然科学院向东北地区转移。11月15日，自然科学院从延安出发。到张家口后，由于形势变化，决定暂留当地，改名为晋察冀边区工业专门学校。1948年，与北方大学工学院合并，定名为华北大学工学院。1949年迁到北京。1952年1月1日，改称北京工业学院(今北京理工大学)。