Luonnontieteellisen kokoelman keruun aloitti Tampereen Luonnon Ystävät ry. 1930-luvulla. Vuonna 1961 avattu museo esitteli luontoa, sen eläimiä, kasveja, hyönteisiä sekä geologiaa. Uudistettu, kirjastotalo Metsoon tiloissa 1988 avattu museo painotti luonnonsuojelun näkökulmaa. Vuonna 1995 alkoi kokoelman varastointivaihe, mutta keruu, harrastajien tutkimustoiminta ja lainaustoiminta on jatkunut vilkkaana.
Luonnontieteellinen kokoelma (n. 75 000 kpl) koostuu eläinkokoelmasta (täytetyt eläimet 979 kpl ja luurangot n. 60 kpl), hyönteiskokoelmasta (n. 35 000 kpl), kivikokoelmasta (n. 3 800 kpl) ja kasvikokoelmasta (n. 33 400 näytettä). Kasvikokoelmat saatiin 1970-luvulla mukaan kansainväliseen indeksiin. Eläinkokoelman harvinaisuuksia ovat mm. kääpiöhaikara, iso ja pieni kiljukotka ja ruisrääkkä.
Täplä-ilves syntyi 1972 Tampereen eläintarhassa juuri ennen eläintarhan lakkauttamista. Täplä siirrettiin pentueensa mukana Ähtärin eläinpuistoon, missä se eli täyden ilveksen elämän ja kuoli 15-vuotiaana.