Les collections du musée sont centrées sur la faune et la flore régionales. S’y ajoutent des collections de minéraux et de fossiles, ainsi que des fonds documentaires historiques qui témoignent de l’histoire des sciences naturelles dans les Montages neuchâteloises. Par ailleurs, la collection a aussi la particularité de contenir de nombreux spécimens africains, ramenés d’Angola, de Guinée Bissau et du Cameroun au cours d’expéditions menées entre 1928 et 1947 par un ancien conservateur, Albert Monard. Celui-ci a décrit ou contribué à décrire de nombreuses espèces nouvelles, dont trois types de chauves-souris africaines. Un Centre de documentation de plusieurs milliers de documents et d’ouvrages assiste l’équipe scientifique dans son travail de mise en valeur ces collections. Le musée met aussi à la disposition des enseignants et de leurs élèves une collection de prêt (animaux empaillés, etc.). Mammifères Plus de 2650 mammifères, en tout ou en partie, sous forme de squelette, naturalisés ou en alcool.   Trois types de chauves-souris africaines décrits par Albert Monard, qui a également décrit ou contribué à décrire de nombreuses espèces nouvelles. Grâce à l'apport exceptionnel de cet ancien conservateur, le Musée d’histoire naturelle est très riche en faune africaine.   Collection de référence de crânes (rongeurs, chauves-souris, mustélidés, félidés, etc.).   Collection Boillat (animaux naturalisés).   Le loup de Pouillerel (dernier loup tué dans le canton de Neuchâtel).   Un des premiers okapis entrés dans un musée suisse (1912).  Oiseaux  Plus de 4900 oiseaux, sous forme de peaux, squelettes, fragments ou naturalisés.    Collection de référence de peaux et de crânes. Exemplaires rares ou éteints (Kakapo, Huia, Conure de Caroline, Pic à bec ivoire, etc.).   Collections Boillat (La Chaux-des-Breuleux), Quaile (La Brévine), etc.   Collection d'oeufs de L. Nicoud (environ 4350 pièces).  Reptiles Plus de 1100 reptiles, dont 6 types décrits par Albert Monard.  Amphibiens Plus de 900 amphibiens dont 6 types décrits par Albert Monard.  Poissons Plus de 210 poissons, dont une importante part de poissons d'Angola.  Insectes, et autres invertébrés Plusieurs dizaines de milliers d'invertébrés.    66000 insectes.   Scorpions, coléoptères exotiques, nombreux papillons.    Collections de papillons Joss, Anton Hirsiger, St.Urban LU; Fernand Vuilleumier, Tramelan, etc.  Minéralogie, roches, fossiles 2400 fossiles, au moins 3000 minéraux, et plus de 1500 roches (non-exposés).   Collections Jeanneret, Girard, fragments de la collection de Célestin Nicolet, etc.   Fonds Riccardo Crosilla: micromounts de minéraux, autres minéraux.  Végétaux Herbiers d'Abraham Gagnebin (pro parte, déposés à l’herbier de l’Université de Neuchâtel).   Collection de dendrologie de Jean Duvanel, Le Locle: plusieurs centaines de planches de feuilles d'arbres, accompagnées d'une bibliothèque de référence très importante.    Herbier Charles Béguin sen. (1874-1941) et Charles Béguin jun. (1900-1974): Alpes et Jura.  Fonds documentaires Fonds Paul Barruel (aquarelles originales, dessins, croquis originaux).   Fonds Charles-Edouard Gogler (aquarelles originales de fleurs du Jura).   Fonds Walter Linsenmaier (aquarelles originales de passereaux).   Fonds Albert Michaud (aquarelles et dessins d’insectes).   Fonds Jean Chevallier (aquarelles de batraciens suisses).   Fonds Dr Georges Roessinger : 205 négatifs sur verre portant sur les tourbières des Ponts-de-Martel, les grottes, la spéléologie et la géologie dans la région jurassienne, datant des années 1910-1920.   Fonds Robert Hainard: 35 xylographies, 34 dessins originaux d’oiseaux (essentiellement des échassiers, gallinacés et rallidés).   Fonds Willy Vuilleumier (sculptures animalières).  Collection de prêt Une collection de prêt permet de mettre du matériel à disposition des enseignants et de leurs élèves, pour des exposés en classe par exemple.  Également ramenée d'Afrique au cours des expéditions d'Albert Monard, une collection ethnographique a été déposée au Musée d'ethnographie de Necuhâtel.