Mit dem Naturwissenschaftlichen Institut realisierte der erst kurz zuvor zum Architekturprofessor ernannte Gustav Gull die erste Etappe einer grossangelegten Erweiterung des ETH Zentrums zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Der aus zwei Gebäuden bestehende Baukomplex bildet bis heute den nordöstlichen Abschluss des ETH Zentrums. Der die beiden Gebäude Ost (NO) und West (NW) über die Clausiusstrasse verbindende Brückenbau entwarf Gull als städtebauliches Eingangstor, das er bewusst in eine Sichtachse zu der mit Sgraffito verzierten Nordfassade von Sempers Hauptgebäude ausrichtete. Im Mai 1911 wurde mit dem Bau begonnen, der durch den Ersten Weltkrieg verzögert und schliesslich mit Beginn des Sommersemesters 1916 etappenweise bezogen werden konnte. Nach dem Zweiten Weltkrieg nahm die Studierendenzahl ein weiteres Mal sprunghaft zu, weshalb Alfred Roth den Ostbau (NO) zwischen 1966 und 1971 um zwei resp. drei Stockwerke erhöhte und innen weiter ausbaute. Diese räumliche Verdichtung wurde 2006 bis 2009 durch Itten + Brechbühl teilweise wieder rückgeführt und der Innenhof mit Glasdach revitalisiert. Mit der neu konzipierten Ausstellung «focusTerra» stellten Holzer Kobler Architekten einen Ausstellungsturm in den Innenhof, der nicht nur die mineralogische Sammlung aufnimmt sondern auch die Galerien miteinander verbindet. Waren im durch den Brückenbau abgesetzten Westbau (NW) das pharmazeutische und im Ostbau (NO) das mineralogische und geologische Institut untergebracht, belegt heute das Departement der Erdwissenschaften den gesamten Baukomplex.
Neben der Unterbringung der Institute mussten auch deren Schausammlungen Platz finden und öffentlich zugänglich sein. Um dies zu ermöglichen, platzierte Gull die Sammlungen in einem mit Glasdach bedeckten Innenhof, der durch das geschickte Ausnutzen der topographischen Hanglage sowohl über die Clausius- als auch über die zwei Stockwerke höher liegende Sonneggstrasse erreichbar ist. Die vertikale Erschliessung erfolgt über zwei grosszügige Treppenhäuser im Nord- und Südflügel, die im 1. und 2. Obergeschoss jeweils mit einer zum Vestibül ausgebildeten Verteilerhalle die Zugänge von der Sonneggstrasse bzw. die Galerien und Korridore um den Innenhof verknüpfen. Zusätzlich dazu verbanden ursprünglich zwei innenliegende Treppen das Erd- und 1. Obergeschoss im Innenhof und damit die ausgestellten Sammlungen miteinander. Die Verteilung des mit dem wuchtigen Walmdach bedeckten Bauvolumens, das um den zentralen Innenhof als Gebäudeflügel angeordnet und in das abfallende Gelände hineingebaut wurde, kann deshalb als eine direkte Konsequenz aus Raumorganisation und Erschliessung betrachtet werden. Beanspruchten die Sammlungen das gesamte Erd- und grosse Teile des 1. und 2. Obergeschosses, wurden die Institute auf die übrigen Stockwerke und angrenzenden Räume der Gebäudeflügel verteilt. Während Gull die Westfassade an der Clausiusstrasse durch einen das grosse Auditorium bezeichnenden Mittelrisalit mit dorischen Säulen und Architrav als Haupteingang auszeichnete, nahm er an der Sonneggstrasse diese klassische Gliederung zwar ebenfalls auf. Doch lässt er die Seitenrisalite als einstöckige kubische Baukörper mit Giebelaufbau stehen, ohne aus der durch vertikale Pfeiler strukturierte Fassadenfläche herauszutreten. Auch hier wurden die Eingänge durch wuchtige Vorbauten und Balustraden ausgezeichnet. Die bereits aussen merkbare Zurückhaltung in der Gestaltung durch die versachlichte Pfeilerfassade und dem Fokus auf die baukörperliche Wirkung, spiegelt sich nicht zuletzt auch in den Innenräumen wider. So bildet neben dem imposanten Innenhof das grosse Auditorium mit seiner Kassettendecke den einzigen repräsentativen Raum des ansonsten zweckdienlich ausgestatteten Baukomplexes.
Konnte Gustav Gull für das Zentrum noch Neubauten verwirklichen, wurde mit dem Entscheid, eine Aussensation auf dem Hönggerberg zu realisieren, der Fokus für das ETH Zentrum auf die innere Verdichtung gelegt. Wie zuvor Gull, wurde nun Alfred Roth als Architekturprofessor mit den Arbeiten betraut. Neben dem Ausbau des Hauptgebäudes (HG) und der Aufstockung des Maschinenlaboratoriums (ML), plante Roth ab 1962 auch den Ausbau des Naturwissenschaftlichen Instituts und führte diesen zusammen mit H. Eberli und F. Weber in vier Etappen zwischen 1966 und 1971 aus. In einer ersten Etappe bauten die Architekten bis 1967 den Innenhof aus, in dem sie eine weitere Ebene mit Auditorium, Sammlungsräumen und Bibliothek mit Lesezimmer ins Erdgeschoss der Clausiusstrasse einbauten. Eine zweite Etappe entfernte die Giebelaufbauten an der Sonneggstrasse, setzte zwei Stockwerke darauf auf und glich die Traufhöhe mit der ebenfalls von Roth durchgeführten Aufstockung des anschliessenden Maschinenlaboratoriums (ML) an. Auf dieser Trauflinie wurde in der dritten Etappe über alle restlichen Gebäudeflügel des Ostgebäudes (NO) die Aufstockung durchgezogen. In der letzten Etappe wurden die restlichen Innenräume ausgebaut sowie der Innenhof mitsamt Glasdach erneuert. Trotz der geplanten jedoch nicht ausgeführten Aufstockung des Westbaus (NW), konnte die Nutzfläche um 50% werden.
Obwohl Roth von einer harmonisch wirkenden Einheit zwischen Alt- und Neubau durch Materialdifferenzierung und einer horizontalen Lagerung des Aufbaus sprach, ist aussen kaum noch etwas von der ausbalancierten Zurückhaltung von Gulls Ursprungsbau zu spüren. Dass Roth damit auch das Zurückdrängen jeglicher Stilelemente verstand, zeigt sich nicht zuletzt in der Entfernung der Eingangsvorbauten sowie der deutlichen Egalisierung des Mittelrisalits an der Clausiusstrasse.
Durch den weiteren Ausbau des Hönggerbergs konnte zunehmend Druck von den Gebäuden im Zentrum genommen werden. Während der Westbau (NW) zu Beginn der Neunzigerjahre durch ArchiNet umgebaut wurde, konnten Itten + Brechbühl den verbauten Lichthof wieder entflechten und mitsamt Glasdach reaktivieren. Für die mineralogisch-geologische Sammlung konzipierten Holzer Kobler 2010 zudem eine neue Ausstellung, dessen Herzstück ein offener Ausstellungsturm bildet und erneut die oberen Geschosse des Lichthofs miteinander verbindet.
