Естественнонаучные коллекции представляют собой "систематизированные собрания объектов природы", которые "являются документальным свидетельством достоверности научных фактов". Включают как объекты живой, так и неживой природы, в т.ч. специально обработанные и законсервированные (чучела животных, анатомические препараты и др.) Используются для научных исследований, проведения мониторингов природных процессов. В число естественно-научных коллекций входят: ботанические (в т.ч. сады, оранжереи, дендрарии, гербарии), зоологические, антропологические, геологические, палеонтологические, почвенные, медицинские.

Создание естественно-научных коллекций тесно связано с развитием естественных наук. Уже коллекции, сформированные в период античности, использовались в исследовательских целях. Значительные естественно-научные коллекции, состоящие из редкостей "трех царств природы" - растительного, животного, минерального, были собраны в европейских кунсткамерах в 16-18 вв.; широкое распространение получили также анатомические театры, ботанические сады, зверинцы. В России в 16 в. функционируют первые зверинцы, в 17 в. - ботанические сады, в 18 столетии создается Петербургская кунсткамера, универсальное собрание, в котором были собраны анатомические, зоологические, ботанические коллекции. На протяжении 18 в. появляются первые частные естественнонаучные коллекции: А.С. Строганова, П.Г. и Н.А. Демидовых, частные ботанические сады Г.А. Демидова, А.К. Разумовского. С 18 в. начинается выделение естественно-научных коллекций в обособленные коллекции и музеи, а в 19 в. - их специализация (в 1830-е гг. из собрания Петербургской кунсткамеры выделяются Зоологический, Ботанический, Геологический и др. музеи). Создается ряд систематических коллекций, в которых отражалось видовое разнообразие природы. Естественно-научные коллекции становятся значимой частью музеев местного края и музеев учебных учреждений.

В 20 в. одной из форм сохранения и представления многообразия природы стали особо охраняемые природные территории, природные заповедники и национальные парки (Тебердинский биосферный заповедник, Прибайкальский национальный парк). Возникли новые типы естественно-научных коллекций, отражающие приоритеты и проблематику естественнонаучных исследований в настоящее время - музеи-аквариумы, экологические тропы. Среди наиболее крупных и известных музейных естественно-научных коллекций- собрания Дарвиновского музея и Биологического музея им. К.А. Тимирязева, Геологического музея им. В.И. Вернадского в Москве, Ботанического института им. В.Л. Комарова, Антропологии и этнографии им. Петра Великого в Петербурге.