Отдел природы Вологодского музея-заповедника имеет разнообразные и обширные естественнонаучные коллекции, характеризующие историю развития и биоразнообразие органического мира Вологодской области. Фонд насчитывает более 17 тыс. единиц хранения, объединённых в пять коллекций: зоологическую, ботаническую, геологическую, палеонтологическую, энтомологическую.
Зоологическая коллекция включает в себя таксидермические скульптуры зверей, птиц, рыб, пресмыкающихся; тушки млекопитающих и птиц; шкуры млекопитающих; влажные препараты рыб, земноводных, пресмыкающихся, круглоротых; костный материал (рога и черепа животных); гнёзда птиц; раковины моллюсков. В фондах музея представлена большая часть видов животных, обитающих на территории нашего края. 53 вида внесены в Красную книгу Вологодской области (2004). Интересным разделом коллекции являются различные природные аномалии: альбинизм, меланизм, межвидовые гибриды, гермафродиты.
Ботанические коллекции также очень разнообразны. Это - гербарий; коллекция муляжей овощей, фруктов, грибов, ягод; коллекция биоповреждений растений; спилы древесины;  искусственные растения. Особую научную и историческую ценность имеет самый ранний гербарий рубежа ХIХ-ХХ веков. Это коллекции  Иваницкого Н.А., Сняткова А.А., Непеина С.А., Перфильева И.А. и других исследователей. Наиболее ценными являются виды редкие для флоры Вологодской области. В коллекции  музея на сегодняшний день находится более 100 видов растений, внесённых в Красную книгу Вологодской области (2004).
Палеонтологическая коллекция представлена костным материалом древних животных (всего около 200 предметов). Это бивни, зубы, кости мамонта, шерстистого носорога, древнего быка, древней лошади. Особенно ценные экспонаты по палеонтологии были получены от Северо-Двинской галереи геологического музея АН СССР, которая передала музею позвонок и ребро парейазавра, зуб иностранцевии, найденные экспедицией профессора Амалицкого А.П. в 1899г. на реке Малой Северной Двине, а также гипсовый слепок с модели реконструкции парейазавра. Все они находятся в постоянной экспозиции отдела природы.
За время существования музея в  фондах накоплен разнообразный материал, характеризующий геологическую историю и геологическое строение Вологодской области. Это образцы  горных пород, минералов, полезных ископаемых, окаменелостей.
Энтомологическая коллекция представлена  коллекциями насекомых, собранных по систематическому признаку, или по месту сбора. Основу её составляет коллекция дневных и ночных бабочек, собранных в Ленинградской и Вологодской областях Мищенко О.А. в 1968-1988 годах.
Все предметы естественнонаучной коллекции отдела природы Вологодского государственного музея-заповедника имеют большое естественнонаучное и культурно-историческое значение.