Zaczątek zbiorów Muzeum Tatrzańskiego stanowiły zbiory przyrodnicze - 351 okazów ptaków i 54 okazy ssaków, zakupione od leśniczego i preparatora, Antoniego Kocjana, a także zielnik mchów i roślin naczyniowych oraz kolekcja skał tatrzańskich - dar Tytusa Chałubińskiego. Uzupełnieniem zielnika mchów był cenny księgozbiór dzieł krajowych i obcojęzycznych z dziedziny briologii (nauki o mchach), ofiarowany Muzeum przez spadkobierców Chałubińskiego. Od 1888 roku ilość okazów zoologicznych, botanicznych i geologicznych sukcesywnie się powiększała, obecnie liczy blisko 70 tysięcy. Zbiory te od lat służą pracom badawczym różnych specjalności. Do cenniejszych należy wspomniana kolekcja mchów T. Chałubińskiego. Historyczną wartość posiada 9 albumów, obejmujących 900 gatunków roślin naczyniowych, ofiarowanych w początkach istnienia Muzeum przez Komisję Fizjograficzną Akademii Umiejętności w Krakowie. Większość okazów do tej kolekcji zebrał zoolog Władysław Kulczyński, a także m.in. Bolesław Kotula i Antoni Rehmann. Bardzo cenna jest kolekcja porostów wybitnego lichenologa, Józefa Motyki. W zbiorach przyrodniczych Muzeum znalazły się również zielniki tworzone przez blisko związanych z tą instytucją przyrodników: Konstantego Steckiego, Irenę Domaniewską, Zofię Radwańską-Paryską, a także współczesne zielniki botaników: Haliny i Zbigniewa Mirków, Urszuli Bielczyk, Anny Ronikier oraz Adama Flakusa.
Zbiory zoologiczne pochodzą z Tatr, Skalnego Podhala, Kotliny Orawsko-Nowotarskiej oraz Pienin. Do najcenniejszych należy dziewiętnastowieczna kolekcja ornitologiczna Antoniego Kocjana, zbiór motyli większych z Tatr i Podtatrza Stanisława Batkowskiego i zbiór ważek tatrzańskich Józefa Fudakowskiego. W zbiorach znajduje się również 7 tysięcy kości niedźwiedzia jaskiniowego, głównie z Jaskini Magury w Tatrach.
Zbiory geologiczne to prawie 2 800 okazów typowych skał, minerałów i skamieniałości z całego obszaru Tatr i Podtatrza. Kolekcje geologiczne Muzeum posiadają dużą wartość naukową i w znacznej mierze są eksponowane na stałej wystawie. Stanowią przeważnie dokumentację prac wybitnych geologów, zajmujących się problematyką tatrzańską - tych dawnych i tych współczesnych, między innymi: Józefa Morozewicza, Władysława Pawlicy, Mieczysława Limanowskiego, Zbigniewa Wójcika, Jerzego Lefelda, Andrzeja Gaździckiego. Wyróżnia się piękny zbiór skamieniałości fauny morskiej m.in. amonitów, jeżowców, małż, ślimaków, zebranych przez Edwarda Passendorfera.
Stała ekspozycja przyrodnicza w gmachu głównym Muzeum Tatrzańskiego, zmodernizowana w 2007 roku, pozwala na zapoznanie się z aktualną wiedzą o budowie geologicznej i "żywej" przyrodzie Tatr.