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.
Kjent 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.