Le collezioni zoologiche, relative alle diverse categorie sistematiche, sono costituite sia da preparati a secco quali esemplari naturalizzati, pelli, scheletri, conchiglie, insetti, vetrini, sia da esemplari interi o loro parti sotto liquido.
Tra le collezioni di invertebrati sono presenti consistenti raccolte malacologiche, storiche e recenti. Risalgono al XIX secolo le collezioni Stalio, Vidovich e Spinelli, che comprendono soprattutto molluschi adriatici ma anche specie dulciacquicole, per lo più venete; della seconda metà del Novecento sono la raccolta Ligabue di specie tropicali e le collezioni Cesari e Braga, quest’ultima comprendente oltre 5.500 molluschi mediterrane. Altre collezioni di invertebrati sono la piccola raccolta Molin di elminti endoparassiti in alcool e su vetrini della seconda metà dell’‘800 e la collezione di crostacei adriatici a secco di Nardo, che comprende anche esemplari di Olivi, integralmente restaurata nel 2002.
Nonostante le collezioni entomologiche mancassero quasi completamente nel nucleo iniziale, dal 1946 il Museo iniziò ad assumere un chiaro indirizzo entomologico per opera di Antonio Giordani Soika e, dal 1978, le raccolte sono in fase di riordino e incremento. Oggi sono proprio queste le collezioni numericamente più rilevanti, rese particolarmente preziose dalla presenza di oltre 5.600 tipi. La collezione sistematica di insetti mondiali, frutto di lasciti, doni, acquisti e raccolte dirette, include oltre 600.000 esemplari conservati a secco e in minima parte in alcool.
La sezione vertebrati comprende un gran numero di raccolte ornitologiche: la collezione Contarini, di proprietà comunale dal 1849, le più recenti collezioni Perale e Gaini, le curiose collezioni di borre, nidi e uova. Il lotto più consistente di uccelli appartiene alle imponenti raccolte zoologiche del conte Alessandro Pericle Ninni, che comprendono anche una raccolta di pesci sotto liquido del Mar Rosso; donate in lotti successivi alla città di Venezia, furono ripristinate e completate dal figlio Emilio. Un altro eclettico naturalista fu Giacomo Bisacco Palazzi, che tra ‘800 e ‘900 raccolse reperti di vario genere in Belgio e Nord-Africa ma in particolare nel Veneziano: invertebrati e soprattutto anfibi, rettili, uccelli e mammiferi.
Tra le più recenti acquisizioni vi sono una collezione di micromammiferi in pelle e alcool della laguna di Venezia e la collezione osteologica in fase di incremento, utilizzata come materiale di confronto per le ricerche di archeozoologia.