Формування природничої колекції музею розпочалося наприкінці ХIХ ст. Її засновником став земський ентомолог Йосип Пачоський.

Фондові колекції природничого типу налічують понад 49 тис. одиниць зберігання. Найбільшу цінність представляють колекції, зібрані на рубежі ХІХ-ХХ ст. Й. Пачоським і його помічником Т. Бареєм.

У ботанічній колекції, що налічує понад 23 тис. Гербарних аркушів, основу становить гербарій Пачоського.

Ще однією гордістю музейного фонду є орнітологічна колекція: опудала, тушки та шкури птахів. Значна частина експонатів виготовлена Пачоським і Бареєм.
Унікальною є колекція ссавців, яка включає аборигенні види та невелике зібрання домашніх тварин, представлене зразками порід місцевої селекції, виведеними в Асканії-Нова.

Ентомологічна колекція складається з 13 тис. експонатів. В основному вона була сформована на початку ХХ ст. Й. Пачоським. У наш час вагомо поповнив її склад херсонський ентомолог Олександр Зиков.