אוספי הטבע של המוזיאון כוללים יותר מחמישה וחצי מיליון פריטים שנאספו באזורנו במאה השנים האחרונות, המתעדים את עולם החי והצומח ואת התפתחות המין האנושי לאורך אלפי שנים. אוספים אלו, המוכרים כאוספים לאומיים, גדלים ומתחדשים כל הזמן ומהווים תשתית מחקר עבור מדענים מישראל ומרחבי העולם.
בתערוכה מוצגים למעלה מ-1000 פריטים, מקצתם נדירים, כמו הנמר שנאסף בהרי ירושלים והתנין האחרון שנראה בארצנו. פריטים אלו מתעדים את בעלי החיים שנכחדו מאזורנו, והם שייכים לאוסף ההיסטורי של האב שמיץ. שמיץ, איש דת וזואולוג, חקר את בעלי החיים בארץ ישראל וסביבתה והשאיר אחריו אוסף המספק תיעוד נדיר של המגוון הביולוגי שהתקיים כאן לפני כמאה שנה.
במסגרת התערוכה מוצגים לקהל תשעה אוספים נבחרים מתוך עשרים וארבעה אוספי המוזיאון, המאפשרים מפגש קרוב עם עשרות יונקים, עופות ודגים ועם מאות חרקים, אלמוגים, סרטנים, ורכיכות. הפריטים המרשימים ויוצאי הדופן מספרים את סיפורם של מחקרים ותגליות של מדענים ישראלים, המתאפשרים הודות לקיומו של האוצר הלאומי הזה.