Коллекция по Естественной истории Казахстана составляет примерно 8000 ед.хр. и включает в себя предметы музейного значения по флоре (спилы деревьев, гербарные листы, гербарий с акварельныи зарисовками), фауне (чучела зверей и птиц, мокрые препараты рыб и земноводных, рога копытных животных, гнезда птиц с кладками яиц, энтомологические коробки с насекомыми), геологии (полезные ископаемые), а также фотодокументы по природе Казахстана. Первые экспонаты коллекции естественной истории поступили из собраний Оренбургского музея, а также в результате собирательской работы в АН КазССР, научных институтах, заповедниках и заказниках республики и по актам дарения от физических лиц.
Палеонтология
Первые предметы палеонтологической коллекции поступили в музей из Оренбургского музея. Коллекция формировалась на протяжении всей работы музея. Большая ее часть пополнилась в момент строительства экспозиции в конце ХХ века. В это время были совершены экспедиции в Кустанайскую, Карагандинскую, Алматинскую, Павлодарскую, а позднее в Чимкентскую области. Часть коллекции была передана из АН КазССР и Казахского государственного университета (ныне КазНУ им. Аль Фараби). Таким образом, в коллекции имеются экспонаты из архивов В.С. Корниловой, Б.С. Кожамкуловой, П.П. Шилина, Э.Р. Орловской.
В настоящее время коллекция насчитывает более 6000 единиц хранения, представляющие палеоботанику и палеозоологию — образцы вымершей флоры и фауны Казахстана, охватывающие временные рамки от кембрия (570 млн. лет) до голоцена (по настоящее время), принадлежащие 12-ти геологическим периодам, останки которых имеются в фондах нашего музея.
Среди экспонатов наиболее интересными являются: коллекция отпечатков растений, собранных первым палеонтологом Казахстана, профессором Корниловой В.С.; отпечатки насекомых, растений и рыб насланцах, собранных в палеонтологическом заказнике «Аулие»; отпечаток членистоногого животного – трилобита (Оllenthella) на песчанике, обитавшего 420 млн. лет назад; отпечатки первого наземного позвоночного – стегоцефала (Stegocephala), обитавшего 300 млн. лет назад; остеологические останки семи видов ящеров (водных и сухопутных), обитавших 250 млн. лет назад; костные останки пяти видов хоботных животных и многое другое. Все экспонаты уникальны, поскольку эти животные обитали на территории Казахстана и являются свидетелями эпохи, предшествующей появлению человека на Земле..
Фауна
Ценность коллекции представляют чучела зверей и птиц, выполненные известными таксидермистами – К.К.Клиппертом, П.Полосьмаковым, Ениным, Э.Ф.Родионовым .Техника изготовления чучел, их естество поражает внимание посетителей и в наши дни. Особо ценными являются более 100 чучел зверей и птиц, занесенных в Международную и Красную книгу Казахстана (Снежный барс, Выхухоль, Балобан, Казуар, Джек, Журавль-красавка, Сырдарьинский лопатонос, Семиреченский лягушкозуб, Пестрая круглоголовка и т.д.).
Флора
Начало формирования коллекции 1920-1950 гг. XX в. Раритетными экспонатами коллекции можно считать спил Тяньшанской ели, возраст 170 лет, дерево саксаула, растения, занесенные в Красную книгу Казахстана, среди которых: Тюльпан Шренка, Тюльпан Колпаковского, Тюльпан Регеля, Тюльпан Туркестанский, Маралий корень, Наголоватка мощная, Таволгоцвет Шренка, спил Яблони Сиверса и др.
Геология
В коллекции представлены полезные ископаемые Казахстана. Самородные элементы, метаморфические горные породы, металлосодержащие и неметаллические руды, поделочные, полудрагоценные минералы.
Фотодокументы по природе Казахстана
Фотодокументы по природе Казахстана отражают историю создания и деятельность заповедников Казахстана, работы по селекции известных садоводов, вопросы преобразования природы, влияние на природу производственных комплексов. В коллекции имеются личные комплексы: А.П.Зенкова (инженера-строителя г. Верного), В.С.Корниловой (первого палеонтолога Казахстана), семьи Моисеевых (селекционеров, обладателей наград участников сельско-хозяйственных выставок) и многих других.
