Muzeum posiada zbiory naukowe obejmujące ok. 100 tys. okazów zwierząt. Znanym i cenionym jest liczący 12 tys. zbiór motyli z kolekcji doc. dr. inż. Mieczysława Krzywickiego, który obejmuje motyle nearktyczne i palearktyczne, w tym najcenniejsze, zebrane na terenie Polski oraz neotropikalne pazie. W zbiorze znajduje się około 200 paratypów. Najliczniejszym zbiorem naukowym jest kolekcja szczątków kostnych (ponad 80 tys.) wypreparowanych z wypluwek sów. W zbiorach muzealnych znajduje się również ponad 6 tys. przechowywanych na mokro drobnych ssaków, w większości z terenów Lubelszczyzny oraz ok. 1 tys. ryb, płazów i gadów. Okazy ptaków ssaków przechowywane są także jako zbiory suche w formie bałwanków, skórek i czaszek.
Muzeum, w ramach zachowania/rozbudowy kolekcji naukowej uczestniczy w Projekcie IMBIO - Integracja i mobilizacja danych o różnorodności biotycznej Eukaryota w zasobach polskich instytucji naukowych. Program Operacyjny Polska Cyfrowa, poddziałanie 2.3.1 „Cyfrowe udostępnienie informacji sektora publicznego ze źródeł administracyjnych i zasobów nauki” (Typ II projektu: Cyfrowe udostępnienie zasobów nauki).
