Il museo della balena è stato così denominato fin dalla sua inaugurazione, nel 1986, per celebrare il primo esemplare della collezione: lo scheletro completo di una balenottera comune (Balaenoptera physalus), recuperato nel porto di Porto Torres, che vanta la presenza inusuale dei fanoni riposizionati sulla mascella.

Il museo accoglie una collezione zoologica, di anatomia comparata e embriologia, varie piccole apparecchiature e antichi supporti didattici e per la ricerca. La collezione zoologica è composta da numerosi animali selvatici tassidermizzati, scheletri completi e parziali di diverse specie di vertebrati, diversi esemplari di invertebrati, fra cui molti rappresentanti della fauna sarda. Il museo include reperti di interesse storico, in quanto rappresentanti di specie attualmente estinte in Sardegna, come l’avvoltoio monaco (Aegipius monachus) e il gipeto (Gipaetus barbatus), o ormai molto rare, come l’aquila del Bonelli (Hieraaetus fasciatus) e la foca monaca (Monachus monachus). 

Particolarmente ricca è la sezione ornitologica, fra cui spiccano anche esemplari esotici e un diorama di aquila reale (Aquila chrysaetos). Di particolare interesse scientifico e storico, per quanto concerne i mammiferi, è l’olotipo dell’orecchione sardo (Plecotus sardus). La collezione cetologica comprende, oltre allo scheletro della balenottera, scheletri completi di un grampo (Grampus griseus), una stenella striata (Stenella coeruleoalba) e un tursiope (Tursiops truncatus), tutti esemplari spiaggiati e recuperati su coste del nord Sardegna. Sono inoltre presenti alcuni esemplari di rettili, anfibi e pesci, fra cui spicca un esemplare di Pesce luna (Mola mola) di grosse dimensioni.