Museets arkiv bestående av nær 20 millioner objekter fra arkeologiske utgravninger og historiske gjenstander, skal ha vært i bygget som brant, opplyser Reuters.
Brannen skal ha brutt ut etter museets stengetid søndag. Brannmannskaper kjempet for å redde den historiske bygningen, og de mange historiske gjenstandene i bygget.
Det er ikke meldt om skadde personer i brannen.
– Dette er en tragisk dag for Brasil. 200 år med arbeid, forskning og kunnskap er gått tapt, sier Brasils president Michel Temer i en uttalelse.
«Kultur-tragedie»
Museet er den eldste vitenskapelige institusjonen i Brasil og et av de største museene for naturhistorie og antropologi i Sør-Amerika.
I et intervju med tv-kanalen Globo, kaller direktøren for nasjonalmuseet brannen for en «kulturtragedie», skriver BBC.
Nasjonalmuseet hører under det brasilianske utdanningsdepartementet og Rio de Janeiro føderale universitet.
Folk redder ut gjenstander fra det brennende museet.
Foto: Ricardo Moraes / ReutersKjent bygg
Bygningen museet ligger i fungerte som residens for den portugisiske kongefamilien mellom 1808 og 1821, før det ble museumsbygg i 1892.
Nasjonalmuseet ble på sin side stiftet i 1818, og huset blant annet historiske gjenstander fra det gamle Egypt, og det eldste menneske-fossilet funnet i Brasil – et 12.000 år gammelt skjelett av en kvinne.
