אוספי הטבע מהווים תשתית למחקר של נושאים החיוניים לשימור המגוון הביולוגי העולמי ולמחקר מדעי בסיסי: אילו מינים קיימים והיכן? מהי תפוצתם הטבעית? כיצד משתנה תפוצת המינים עקב פעילות האדם? אילו מינים מצויים עם מינים אחרים, ומה טיב היחסים ביניהם? כיצד שינויי אקלים עשויים להשפיע על תפוצת המינים, כולל מזיקים לחקלאות או נשאי מחלות – ובכך להשפיע גם על כלכלת האדם ובריאותו.
תשובות על שאלות אלו ואחרות הן בסיס חיוני להבנת דרך הפעולה של המערכת האקולוגית ולשימורה לטובת האדם.

אוצר אוספי הטבע הלאומיים הוא ארכיון של המגוון הביולוגי. הפריטים נאספים בטבע, ממוינים ומזוהים, ובמקרה שהם מינים חדשים למדע, הם מכונים בשם. בתום תהליך הזיהוי הם נשמרים ונעשים חלק מתשתית לאומית ובין-לאומית של המחקר המדעי. התיעוד הרציף והמתמשך חיוני להבנת תהליכים בטבע, למעקב אחר שינויים של מערכות אקולוגיות, להעמקת המחקר בתחום האבולוציה ולשימור הטבע והסביבה.

במוזיאון ישנם כחמישה מיליון וחצי פריטים. זה האוסף המוזיאלי הגדול בישראל.

אוספי המוזיאון כוללים פריטים שנאספו מאז סוף המאה ה-19 כמו אוסף האב שמיץ (המוצג בתערוכת אוצר האוספים במוזיאון). מדי שנה בשנה נוספים עשרות אלפי פריטים חדשים בזכות עבודות האיסוף, המעקב, ההוראה והמחקר של צוות המוזיאון.
כיום אין ציד פעיל של עופות או יונקים,  רוב הפוחלצים והשלדים באוספים ובתצוגה הם בעלי חיים שמתו בשדה ונאספו על ידי אנשי רשות הטבע והגנים או הגיעו מגני חיות כגון הספארי ברמת גן וגן החיות התנכ"י בירושלים. כמו כן, בעלי חיים שלא ניתן להצילם מגיעים למוזיאון מבית החולים לחיות בר.
אנו אסירי תודה לארגונים אלו על השותפות החשובה במאמץ לתעד וללמוד את הטבע בארץ ולתרום להשכלת הציבור והנאתו.
דגים וחסרי חוליות ימיים ויבשתיים נאספים במחקרים שנעשים אך ורק בהיתרים של רשות הטבע והגנים. כמו כן, חברי צוות שימור האוסָפים יוצאים למסעות איסוף בחו"ל כחלק מתכניות המחקר לחקר המגוון הביולוגי ברחבי העולם.

אוספי הטבע שלנו גדלים כל העת בעקבות המחקר השוטף של חוקרי מוזיאון הטבע. איסופים נעשים גם במבצעים מיוחדים הכרוכים בפעילות של שמירת טבע וחקלאות ובעבודות מחקר של סטודנטים בפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת תל אביב.
מדענים ממוסדות אחרים בארץ ובחו"ל מפקידים אוספים שנצברו במחקריהם באוספי הטבע שלנו, כדי לאפשר שימור נאות שלהם לטובת מחקרים עתידיים, וכך הם תורמים הן לקידום המדע באמצעות מחקריהם והן לתיעוד רציף של המגוון הביולוגי בישראל.
אוספים רבים שפותחו בידי אספנים פרטיים או מוסדיים נקלטים באוסף המוזיאון על מנת להבטיח את שימורם ואת הנגישות של כלל הקהילה המדעית אליהם. תיעוד זה ישמש לעוד עשרות או מאות מחקרים עתידיים.  רוב הפוחלצים והשלדים באוספים ובתצוגה הם בעלי חיים שמתו בשדה ונאספו על ידי אנשי רשות הטבע והגנים או הגיעו מגני חיות כגון הספארי ברמת גן וגן החיות התנכ"י בירושלים. כמו כן, בעלי חיים שלא ניתן להצילם מגיעים למוזיאון מבית החולים לחיות בר.
אנו אסירי תודה לארגונים אלו על השותפות החשובה במאמץ לתעד וללמוד את הטבע בארץ ולתרום להשכלת הציבור והנאתו.

בראשית המאה העשרים נהגו אוהבי טבע ואספנים לצוד בעלי חיים על מנת ללמוד על המינים ולהעשיר את האוסף שברשותם. כיום נוהג זה כמעט נעלם, ורוב בעלי החיים שמגיעים למוזיאון נאספים לאחר מותם בטבע (לדוגמה, על ידי פקחי רשות הטבע והגנים). הם מוחזקים בהקפאה, ולאחר הבאתם אלינו הם זוכים לחיי נצח באוספים.

בתהליך השימור, הפריטים המתקבלים לאוספים ממוינים בקפידה. הם מזוהים ברמה טקסונומית (מיון על פי דמיון מבני, מוצא משותף וכד') גבוהה ככל האפשר ונרשמים בבסיס נתונים ממוחשב. לעיתים הזיהוי הסופי של חסרי חוליות נעשה בסיוע מחקרים של מדענים מן הארץ ומחו"ל.

פחלוץ הוא שחזור או שימור של בעל חיים לצורך תצוגה ומחקר. רוב המוצגים באוספי הטבע של המוזיאון הם חרקים. הודות לשלד החיצוני הקשיח של החרקים, קל יחסית לשמר אותם: פחלוץ חרקים נעשה על ידי שיפוד שלהם על סיכה. החלקים הרכים של הגוף מתפרקים והשלד החיצוני נשמר.
פחלוץ של יונקים ועופות הוא אמנות מורכבת יותר. את העור של בעל החיים מלבישים על פיגום מלאכותי עשוי פולימר (חומר סינטטי), והמפחלץ מוסיף עיני זכוכית וחלקים אחרים. בדרך כלל פוחלצים למחקר נשמרים בדרך שונה מפוחלצים לתצוגה.
המפחלצים במוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט אחראים לשימור בעלי החיים ולהכנת הפוחלצים לתצוגה.

התערוכות נוצרו והופקו על ידי צוותים שכללו אוצרים מדעיים, אוצרת ראשית, חמש חברות עיצוב תערוכות, כותבים ואנשי מולטימדיה. תהליך הפיתוח וההקמה של התערוכות נמשך קרוב לשלוש שנים.