Le collezioni sono raggruppate per tre grandi nuclei storici.

Il primo è costituito dalla collezione reale di strumenti portati a Napoli da Carlo I di Borbone nel 1734 da Parma e Piacenza quando si insediò al trono di Napoli. Questa collezione fu collocata nella reggia di Capodimonte, accanto alla quadreria ed alla biblioteca, ed arricchita successivamente.

Il secondo nucleo contiene pezzi provenienti dalla collezione di Ferdinando I di Borbone e del Gabinetto Fisico creato da Gioacchino Murat. Nel 1787, la raccolta viene trasferita al Palazzo dei Regi Studi, attualmente Museo Archeologico Nazionale, quindi trasferita temporaneamente in Sicilia durante la Repubblica Partenopea, e poi di nuovo a Napoli, dove viene restaurata e sistemata nel Palazzo Reale. Al Gabinetto Fisico confluiscono strumenti che provengono dal Collegio militare della Nunziatella. Dopo l'unità d'Italia gli strumenti del Gabinetto vengono dispersi in diversi gabinetti universitari, dove sono acquisiti anche preziosi strumenti di proprietà del fisico Macedonio Melloni, che costituiranno il terzo nucleo: la Collezione Melloni.

Le collezioni saranno di nuovo unificate in un unico Gabinetto Fisico universitario nel 1878 con una maggiore vocazione verso la ricerca per volontà del professore di fisica sperimentale Gilberto Govi.

Tra i pezzi di pregio del museo vi è una lente obiettiva per cannocchiale realizzata da Evangelista Torricelli nel 1654. Misura 111 mm di diametro ed ha una distanza focale di 6 m. Si tratta di una delle poche lenti realizzate da Torricelli che siano ancora conservate. Un banco ottico realizzato da Macedonio Melloni rappresenta uno dei primi esempi di questo tipo di apparecchiatura.