В фондах Кировского областного краеведческого музея за полтора столетия собрана богатая и разнообразная коллекция естественноисторических материалов, насчитывающая более 33 000 единиц хранения основного фонда. Естественноисторическое собрание музея включает несколько коллекций.

Самая большая из них, ботаническая, насчитывает более 30800 листов гербарных сборов с 1848 г. по настоящее время. Основные коллекторы – И. П. Сележинский, А. И. Кардаков, А. Д. Фокин, Ф. А. Александров, Е. М. Тарасова. В ботанической коллекции представлены растения как Вятского края и ряда регионов России, так и гербарные образцы, собранные в 9 странах Европы и Азии.

Немало находок хранит палеонтологическая коллекция, наибольшее число которых относится к четвертичному периоду кайнозойской эры. Это фрагменты скелетов вымерших животных, обитавших на территории Кировской области: пещерного медведя, саблезубого тигра, большерогого оленя, первобытного бизона, мамонта, шерстистого носорога. Всего в коллекцию палеонтологии входит 257 предметов. Особо ценным экспонатом коллекции палеонтологии является почти полный скелет первобытного бизона.

С начала основания музея комплектуется минералогическая коллекция. На сегодняшний день она насчитывает 645 предметов основного фонда. Основу коллекции составило собрание минералов и горных пород П. В. Алабина, которое было передано в Вятский публичный музеум летом 1864 г. из Музея горного института.

Постоянно пополняющаяся зоологическая коллекция включает в себя 161 чучело животных, птиц, пресмыкающихся, обитающих на территории Кировской области, в том числе редких и занесенных в Красную книгу. В фондах содержится эталонная коллекция моллюсков Кировской области, содержащая 113 экземпляров.

Энтомологическая коллекция музея, насчитывающая 970 образцов, – результат сборов коллекторов А. И. Шернина, А. Хохловой, членов юннатского кружка, работавшего в музее в 1930-1960-х гг. под руководством замечательного краеведа, выдающегося природоведа Вятского края, старейшего сотрудника музея А. Д. Фокина (1897-1981)