Rund 150’000 Objekte aus den Bereichen Geologie, Zoologie und Botanik umfasst die naturgeschichtliche Sammlung heute. Einzigartig sind insbesondere die verschiedenen Herbarien und Schmetterlingssammlungen, die den regionalen Artenwandel in den letzten 150 Jahren wissenschaftlich belegen und für aktuelle Fragestellungen in der Biodiversitätsforschung regelmässig genutzt werden.

Wissenschaftlich von grösster Bedeutung und unersetzbar sind die vorhandenen Holotypen und Abbildungsoriginale, u.a. der Sammlungen von Ferdinand Schalch und Theodor Vogelsanger. Das Herbarium Vivum Ehrharti aus der Mitte des 18. Jahrhunderts – es handelt sich hierbei um das erste kommerziell angelegte Herbar, das weltweit in nur zwei weiteren Exemplaren bekannt ist –, das umfangreiche Herbar von Samuel Brunner aus den 1830er-Jahren und die Manuskripte der Geologenfamilie Würtenberger aus Dettighofen sind auch im internationalen Kontext von grösster Bedeutung.

Zur naturhistorischen Abteilung gehört auch das Museum Stemmler, welches die Sammlung des Kürschners, Präparators und Naturschützers Carl Stemmler in authentischer Präsentation beherbergt und in der Museumslandschaft einzigartig ist.