Формирование естественнонаучной коллекции началось с момента основания музея. На сегодняшний день в ней более 1500 единиц хранения. Наиболее крупные коллекции: орнитологическая, палеонтологическая, ботаническая. Все они начали комплектоваться в начале XX века.
Палеонтологическую коллекцию еще в студенческие годы начал собирать В.П. Бирюков. В 1920-е годы в музей поступила коллекция зубов древних акул профессора Клера М.О., раковины моллюсков. В 1989 году переданы в музей, найденные на территории Шадринского района, кости древних животных.
Орнитологическая коллекция представлена чучелами птиц из фонда Научного хранилища, изготовленными еще в дореволюционное время. К сожалению, неизвестно, кем были переданы эти экспонаты в музей. Сохранились коллекция птичьих кладок, переданная Молчановым В.И., гнезда птиц, поступившие от Аргентовского Ю.П.
По заказу музея в 1960 году было закуплено 20 чучел. В 1973 году поступили экспонаты, изготовленные таксидермистом Сидоровым В.И. (г. Свердловск). Новое приобретение музея в 2003 году — чучело куропатки серой и гуся Шадринской породы таксидермиста Калужникова А.В. (г.Екатеринбург).
Ботаническая коллекция насчитывает более 400 гербарных листов. Первые из них относятся к началу XX века, экспонаты собраны Сорокиным на территории Теплоуховской лесной школы. Они датированы 1912 — 1913 годом. Хранится гербарная тетрадь из 58 листов, на которых смонтировано 165 образцов растений, относящихся к 130 видам. Гербарий собран в дендрарии старого Просвета студентом Курганской лесной школы Шалгиным B.C. в 1956 году. Интересен гербарий, переданный в музей доктором биологических наук Науменко Н.И. (КГУ) в 2004 году.
