Собрание естественно-научной коллекции насчитывает более 3000 единиц хранения, из них 3% представлено в экспозиции отдела природы. Как самостоятельная единица коллекция начала формироваться с 1915 года. Она активно пополнялась благодаря находкам экспедиций Н. А. Черницына, В. В. Боровского, Е. И. Праведникова, членам кружка “Юные геологи” Тотемского краеведческого музея и частным лицам. Собрание включает зоологическую, ботаническую, геологическую и палеонтологическую коллекции.
Зоологический фонд музея немногочисленный, но в нём представлены:
– Коллекция таксидермических скульптур птиц – преимущественно птицы Вологодской области, относящиеся к отрядам куриных (тетерева, рябчики, куропатки, глухари и т. п.), сов, гусеобразных, ржанкообразных. Имеются чучела редких птиц, занесённых в «Красную книгу»: филин, орлан-белохвост, аист черный.
В собрании находятся и образцы гнезд основных видов птиц нашего лесного края.
– Коллекция чучел зверей Вологодской области. В ней собраны основные наземные млекопитающие, населяющие наш край и водоемы (лось, медведь, волк, лиса, рысь, росомаха бобры, выдра и т. д.).
– Коллекцию пресноводных и беспозвоночных составляют основные обитатели рек, озер. В ней имеются как сухие, так и влажные препараты, моллюски, кишечнополостные, рыбы различных отрядов.
Кроме того в музее имеется энтомологическая коллекция В. В. Боровского (112 ед.), которая состоит из различных насекомых и бабочек.
Ботаническая коллекция музея разнообразна и насчитывает 822 единицы хранения. Это – гербарий; муляжи овощей, фруктов, грибов, ягод, лишайников и мхов; коллекция биоповреждений растений; спилы древесины; искусственные растения. Находятся в коллекции специально собранные тематические гербарии Вологодской области лекарственных растений (валериана лекарственная, зверобой, брусника и др.) и редкие виды, для флоры, внесённые в Красную книгу (медуница, кукушкин лен). В ботаническом собрании представлена растительность из различных уголков Тотемского уезда.
Геологическая коллекция музея самая многочисленная и насчитывает 1312 единиц хранения. Это образцы различных горных пород, минералов, полезных ископаемых, окаменелостей, собранных преимущественно в Тотемском уезде. В собрании – десятки образцов горных пород (магматические, осадочные, метаморфические), среди которых распространены горообразующие породы (гранит, мергель), медные, железные и марганцевые руды; нерудные полезные ископаемые (каменный уголь, мрамор). Встречаются единицы горного хрусталя, аметиста.
Минералогическая коллекция дает представление о минеральных богатствах края.
Палеонтологическая коллекция музея преимущественно представлена костным материалом древних животных и составляет чуть более 300 единиц хранения. Музей обладает большим собранием костей животных времен позднего плейстоцена. Наибольший интерес представляют палеонтологические находки, собранные территории Тотемского района. Это бивни, зубы, череп и кости мамонта, шерстистого носорога, бизона.
Естественно-научная коллекция позволяет более подробно представить флору и фауну не только Тотемского района, но и всей Вологодской области.