Zbiory naukowe muzeum zawierają ponad 178 tys. eksponatów, z czego 10 tys. dostępne jest w ekspozycji stałej. Zbiory te pochodzą z całego globu i wszystkich stref klimatycznych. Kolekcje zawierają m.in. zbiory Benedykta Dybowskiego znad jeziora Bajkał, Angary, rzei Amur czy Morza Kaspijskiego; koralowce i małże z wyprawy księcia Monako w baseny Morza Śródziemnego, Morza Czerwonego i Adriatyku; szkarłupnie ze stacji biologicznych w Neapolu i Trieście. Na uwagę zasługują także kolekcje motyli, chrząszczy oraz ptaków, obejmujące unikalne eksponaty z Azji, a także lokalne zbiory z Galicji i Ukrainy.
W muzeum znajdowało się pięć unikatowych szkieletów krowy morskiej (Hydrodamalis gigas), z których trzy oglądać można na Ukrainie (jeden we Lwowie, dwa w Kijowie), jeden znajduje się aktualnie w Muzeum Historii Naturalnej w Wiedniu, a jeden, sprzedany do Warszawy, zaginął. Na świecie zachowało się jedynie 27 szkieletów tego wytępionego przez człowieka zwierzęcia.
W muzeum znajdują się nie tylko historyczne zbiory uczonych Benedykta Dybowskiego, Ernsta Friedricha Germara i Michała Jankowskiego, lecz także współczesne, np.