Die Wirbeltiersammlung
Den Schwerpunkt bildet die Vogelsammlung mit Belegen aus aller Welt, wobei etwa zehn Prozent der global vorkommenden Vogelarten in der Sammlung vertreten sind. Die Säugetier-Kollektion ist deutlich kleiner als die Vogelsammlung und besteht aus Habitus- und Balgpräparaten, Fellen, Skeletten sowie Jagdtrophäen. Fische, Amphibien und Reptilien liegen in der Mehrzahl als Flüssigkeitspräparate vor.
Die Vogelsammlung lässt sich in drei wesentliche Kategorien unterteilen - Habituspräparate, Bälge und Eier. Die Eiersammlung ist mit etwa 5.000 Belegen von über 800 Arten besonders dominant. Sie entstand im 18. Jahrhundert und erfuhr 1866 eine Erweiterung durch Eier europäischer Vögel des Naturalienhändlers Keitel und 2002 eine wesentliche Bereicherung aus dem Tierpark Berlin-Friedrichsfelde. Die Eiersammlung aus dem Nachlass Hans Münch zählt zudem etwa 800 Belege aus 300 Arten, wobei deren Bestimmung durch Max Schönwetter erfolgte. Erhalten sind auch Belege des Uhus Bubo bubo und der Großtrappe Otis tarda aus der Sammlung Johann Friedrich von Beulwitz', die er ab 1770 anlegte. Seine Aufzeichnungen liefern außerdem wertvolle Erkenntnisse über die Brutvögel des Fürstentums Schwarzburg-Rudolstadt.
Stopfpräparate, Dermoplastiken und wissenschaftliche Bälge machen etwa 3.000 Belege aus, wobei die Sammlung vor allem aus der regionalen Vogelfauna stetig Eingänge erhält. Ein seltener Beleg in der Sammlung ist das Habituspräparat eines männlichen Waldrapp Geronticus eremita. Das Tier wurde 1910 in der syrischen Oase Tudmur erlegt. Bemerkenswert sind außerdem zwei Belege des Steinsperling Petronia petronia aus Gumperda von 1907, ein Eistaucher Gavia immer aus Thüringenhausen von 1907 sowie der Strauchrohrsänger Acrocephalus conchinens aus dem Cuc Phuong Nationalpark von 1995, der als Erstnachweis für Vietnam gilt.
Der Bestand an säugetierkundlichen Objekten mit seinem etwa 3.500 Belegen besteht aus Habituspräparaten, Bälgen, Fellen sowie Skelettmaterial. Bedeutend für Thüringen sind die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts aufgestellten Fledermauspräparate, die als Erstnachweise gelten. Dabei handelt es sich um die Wasserfledermaus Myotis daubentonii, das Große Mausohr Myotis myotis, die Breitflügelfledermaus Eptesicus serotinus sowie Zweifarbfledermaus Vespertilio murinus und Mopsfledermaus Barbastella barbastellus, die bei Rudolstadt und Schwarzburg gesammelt wurden. Zwei Fischotter-Präparate bezeugen das ehemalige Vorkommen dieser Art (Lutra lutra) bei Rudolstadt in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts.
In der Sammlungsgeschichte des Museums hinterließen über 40 Präparatoren Spuren ihres Handwerks und Könnens. Besonders hervorzuheben sind dabei die Arbeiten Philipp Leopold Martins, der nicht nur als Vordenker des Naturschutzkonzeptes gilt, sondern auch einige große Dermoplastiken - eine Technik, die er seinerzeit perfektionierte - und Bälge für das Naturalienkabinett anfertigte. Darunter befindet sich ein Königstiger Panthera tigris von 1878, ein Schimpanse und ein Orang-Utan. Martin präparierte auch mehrere kleinere Tiere und Bälge für das Kabinett, beispielsweise einen Riesengleiter. Seine qualitativ hochwertigen Arbeiten spiegelten bereits im 19. Jahrhundert eine immense Verbundenheit zur Natur und deren lebhaften Darstellung wider und markieren einen Wendepunkt in der Präparationstechnik der Wirbeltiere.