Le collezioni naturalistiche presenti nella struttura sono collezioni storiche chiuse, del XVIII e XIX secolo, e collezioni recenti frutto di donazioni o di diretta acquisizione del museo. Si tratta per lo più di collezioni che hanno stretto riferimento con il territorio regionale e italiano. Sono comunque presenti anche collezioni esotiche di insetti, uccelli, pesci e mammiferi; anche le collezioni mineralogiche e geo-paleontologiche presentano reperti che provengono da tutto il mondo. In totale i materiali naturalistici conservati sono circa 20.000, e rappresentano i vari gruppi sistematici di ambito zoologico, botanico e geo-mineralogico.

Le collezioni archeologiche sono per lo più di proprietà statale e depositate presso il museo e solo in minima parte di proprietà civica, frutto di donazioni di materiali raccolti prima del 1909 o di materiali provenienti dall'estero. Si tratta di reperti relativi a raccolte di superficie o scavi che negli anni hanno interessato il territorio di Montebelluna e dintorni (es. Cornuda, Vidor ecc.). Sono collezioni di materiali che temporalmente coprono con discreta continuità il periodo che va dal paleolitico all'epoca romana.