Die Sammlung der Wirbeltiere umfasst:

3.000 Säugetiere, 50.000 Vögel, 10.300 Vogeleier, 4.000 Schädel und Skelette, 500 Geweihe und Gehörne, 1.000 Fische, Amphibien und Reptilien weitere kleinere Sammlungen: Felle, Nester usw.

Die Vogelsammlung

Die Braunschweiger Vogelsammlung ist mit mehr als 62.000 Exemplaren (davon 10.300 Vogeleier) die größte Niedersachsens und eine der umfangreichsten bundesweit. Etwa die Hälfte der weltweit bekannten Vogelarten sind in ihr vertreten. Die ältesten Stücke der Sammlung stammen noch aus der Gründungszeit des Herzoglichen Kunst- und Naturalienkabinetts von 1755. Eine Besonderheit der Vogelsammlung ist die große Anzahl an bereits ausgestorbenen Arten wie Riesenalk, Wandertaube, Lachkauz und Carolinasittich.

Die Reptilien-, Amphibien- und Fischsammlung

Das Staatliche Naturhistorische Museum besitzt wertvolle Reptilienpräparate aus aller Welt. Es handelt sich um die einzige bedeutende Reptiliensammlung in Niedersachsen.Die ältesten Stücke stammen aus dem 17. und 18. Jahrhundert. Im 19. Jahrhundert hat vor allem Johann Heinrich Blasius die Sammlung durch selbst gesammelte Schlangen aus Südeuropa bereichert. Um die Wende zum 20. Jahrhundert kamen Sammlungen aus der deutschen Kolonie Kamerun sowie Madagaskar hinzu. Der jetzige Direktor Ulrich Joger ergänzte die Reptiliensammlung um Präparate aus Nordafrika und Vorderasien. 

Die Fischsammlung besteht aus 1657 Exemplaren, darunter 12 Typusexemplare der deutschen Tiefsee-Expedition 1898/99.

Die Säugetiersammlung

Die Säugetiersammlung umfasst ca. 8.000 Präparate. Eine Besonderheit ist die Stellersche Seekuh, die dauerhaft im Lichtsaal des Museums gezeigt wird. Es ist das am besten erhaltene Exemplar dieser ausgestorbenen Art außerhalb Russlands. Ähnlich wertvoll ist der letzte Luchs Norddeutschlans (1818 geschossen), der in einem Diorama gezeigt wird