Естественно-научная коллекция представлена разделами: зоология, палеонтология, ботаника, геология. Экспонаты коллекции отображают в первую очередь многообразие природы Томской области. В разделе зоологии это – чучела птиц, животных, рыб, коллекции насекомых. Единично представлены также обитатели других регионов планеты. Богатейшая палеонтологическая коллекция включает в себя находки, сделанные на территории Томской области и других регионов Западной Сибири. Гербарий, собранный в экспедициях сотрудниками и студентами Томского государственного университета и сотрудниками музея, характеризует богатство флоры Томской области и Западной Сибири.