自然科學教育學系，在本校之悠遠良好傳統下，行履穩健，與時俱進。師範專科學校階段，本校獲教育當局指定為「科學教育示範學校」，1987年各師專改制為大學，在科學課程規劃部分，本校、本系亦扮演相當重要的功能，促使我國科學師資培育更提升至一個新的境界。本系源自於1987年成立的數理教育學系，在此階段，進行相當程度的分組教學。1996年起，正式於大學聯考簡章中分為A、B組招生， B組學生主修自然科學教育。1998年，本系配合校務發展計畫，將原數理教育學系調整獨立設系，自然科學教育學系於焉成立。本系招收高中畢業生，大學畢業後授予理學學士學位。
       1998年起，本校奉教育部核定辦理科學教育領域之碩士階段之人才培育，當時，是以在數理教育研究所之內設置「自然組」進行，自2004年起在報奉教育部核准，更名為自然科學教育研究所，並與自然科學教育學系以系所合一的方式運作，直至2005年本校改制為教育大學，系所正式合一，更名為自然科學教育學系碩士班。在1998年至今，本碩士班及其前身皆亦同時辦理教學碩士班別，精進在職教育人員之科學教育研究與課程教學能力，對當代國民教育階段中科學教育水準之提高具有相當之貢獻。
       隨後，本學系復在科學教育教學與學術長期耕耘之基礎上，提出博士班之申設，並於2007年獲審查通過設置。博士班設置後，本系積極向國內外已設相關博士班之友系，學習經驗、擴大交流，目前已奠定相當之發展基礎。
       目前本系依舊保有相當良好之科際（物理、化學、生物、地球科學）整合特質，同時也已是國內唯一具有從大學部至碩士班、博士班等系列發展的學系，在此難能可貴之系統結構下，學科專業得以充分交流合作、班別學生得以分享協力，對未來本系之發展與優秀具統整科學觀之科學人才以及科學教育人才培育具有功能性的價值，同時對我國在國際之基礎科學教育，具有指標性的意義。