Il Museo dispone di diverse collezioni, che raccolgono più di due milioni di pezzi tra reperti di botanica, zoologia, mineralogia, geologia e paleontologia. Nel 2010 è iniziato il trasferimento del museo dallo storico Palazzo Biserini, dove conviveva con la Biblioteca Civica Hortis e i musei letterari alla nuova sede ricavata presso le caserme dismesse dall'esercito di via Cumano (ingresso da via dei Tominz).

La collezione botanica del museo è rappresentata da 29 erbari, con specie vegetali del territorio italiano, provenienti in particolare dal Friuli-Venezia Giulia. Ogni sezione porta il nome dello studioso autore della relativa raccolta.

La collezione paleontologica è focalizzata in particolare su reperti di provenienza regionale, precisamente dalla zona del Carso. Il reperto più importante del museo è un Tethyshadros insularis che costituisce l'unico esemplare di questa tipologia di dinosauri completo presente nel pianeta terra e allo stesso tempo il più grande dinosauro completo presente in Italia.