Коллекцию составляют материалы по флоре и фауне Тувы (гербарии; чучела животных, птиц рыб); образцы полезных ископаемых; шкуры ценных пушных промысловых зверей, добывающихся на территории Тувы. Каждый год естественно-научная коллекция музея пополняется новыми материалами.

Основу геологической коллекции составляют минералогические образцы, переданные Геологической службой Республики Тыва.
Ботаническая коллекция (гербарии). В фондах музея хранятся эталонные образцы гербариев А. И. Шретера, К. А. Соболевской, А. М. Лайдып и др. Всего зарегистрировано 1 865 единиц гербариев, включающих 57 семейств и объединяющих 800 видов растений.

В составе коллекции млекопитающих (териологическая): чучела, тушки, шкуры, остеологические материалы. Автором большинства чучел является известный таксидермист Иван Матвеевич Путинцев, заслуженный работник культуры РТ, ветеран тувинского музея.

Коллекция птиц (орнитологическая) состоит из чучел, тушек, гнезд и кладок, чучел птенцов. 761 чучело птиц представляет 199 видов, 49 семейств, 19 отрядов пернатых.