Alle Sammlungen gemeinsam repräsentieren die Geschichte des Museums selbst und der Forschungen der Naturkundler sowohl auf lokaler Ebene als auch in fernen Gegenden. Viele Sammlungen haben ihren Ursprung in naturkundlichen Recherchen auf lokaler Ebene und stellen damit das physische Zeugnis und das historische Gedächtnis des Territoriums und seiner Verwandlung im Laufe der Zeit dar. Andere Sammlungen, die zum Großteil aus Schenkungen stammen, sind hingegen das Ergebnis von Entdeckungsreisen und Speditionen zur Erforschung unbekannter Gegenden und umfassen die Gebiete Paläontologie, Ethnologie, Anthropologie und Geografie. Die Typologie der im Museum vorhandenen Sammlungen repräsentiert auch die Kompetenzen des wissenschaftlichen Personals: es gibt zahlreiche zoologische Sammlungen, insbesondere entomologische (die Hautflügler-Sammlung zählt zu den weltweit größten), ornithologische und malakologische; auf dem Gebiet der Botanik hingegen sind die antiken Herbarien, Algensammlungen und die mykologische Sammlung von besonderer Bedeutung. Die wissenschaftlichen Sammlungen stellen daher den echten zentralen Kern aller Tätigkeiten des Naturhistorischen Museums dar. Von ihnen gehen sowohl die wissenschaftlichen Forschungstätigkeiten, als auch die Lehrtätigkeiten und natürlich die Ausstellungstätigkeit aus. Der wissenschaftliche Schatz des Museums besteht aus über zwei Millionen Stücken; zum ursprünglichen Kern, der aus den naturkundlichen Sammlungen des Museo Correr und des Venezianischen Instituts für Wissenschaften, Literatur und Künste bestand, kamen weitere Sammlungen infolge von Schenkungen, Depots oder Ankäufen hinzu. Außer den historischen Sammlungen von Olivi, Contarini, Nardo, Trois, Spinelli, Zanardini, Innocente, A.P. Ninni, E. Ninni usw. sind hier – um nur die größten zu nennen – die entomologische Sammlung Giordani Soika (1983), die Sammlung Bisacco Palazzi (1986) sowie die malakologische Sammlung Cesari (1993) zu sehen, und aus jüngerer Zeit stammen die Sammlung Ligabue und die ornithologische Sammlung Perale. Nicht zu vergessen sind außerdem die ethnologischen afrikanischen Sammlungen von Miani, De Reali und Forin. Die Katalogisierung der Sammlungen erfolgt im regionalen Katalogisierungsprogramm der naturkundlichen Sammlungen und in der Datenbank CollMap, sowie in einer Datenbank für den internen Gebrauch. Die einzelnen Fundstücke werden außerdem mit den wichtigsten Daten in den EDV-Katalog des Museums (Computerisierter Katalog der Sammlungen) aufgenommen.