Экспонаты зоологической коллекции, в которую входят собрания таксидермических скульптур и беспозвоночных животных (насекомых, пауков, моллюсков, кораллов и т. д.) формировались с момента основания музея. Их сборы связаны с видными сибирскими зоологами: И.Н. Шуховым, А.Д. Каденации, В.С. Гребенниковым и др.
Коллекция таксидермических скульптур насчитывает более 550 экспонатов птиц, рыб и зверей Омской области, Сибири, России, обитающих в различных природных ландшафтах. Многие из них уже стали редкими видами, а некоторые уже давно не встречаются на территории Омской области, Западной Сибири (дрофа, савка). Некоторые таксидермические скульптуры были изготовлены в суровое для России время (1930–1940-е гг.) репрессированным в Сибирь таксидермистом И.И. Морозом. Работы сотрудника отдела природы таксидермиста Эзау А.Н. по праву считаются одними из лучших в регионе: бурый медведь, лось, северный олень, косуля сибирская, кабан, рыжая лиса, росомаха, корсак степной, горностай, соболь, куница, филин. Продолжается формирование ихтиологической коллекции.
Коллекция раковин моллюсков в музее насчитывает более 1260 единиц. Начало комплектованию коллекции положено в конце 19 века, когда в 1894 году священник крейсера "Мономах" В.В. Гиганов принес в дар музею обширную коллекцию морских обитателей, в том числе и раковин моллюсков. Наиболее значительная часть коллекции появилась в музее в 1993 году, когда музей приобрел коллекцию раковин моллюсков (322 ед.) из частного собрания С.Ф. Лихачева, сотрудника кафедры зоологии Омского педагогического института. В 1995 и 1996 гг. продолжалось комплектование коллекции за счет даров от частных лиц и через закупку отдельных образцов. Особенно широко представлены в коллекции морские брюхоногие моллюски, преимущественно обитатели теплых тропических морей Тихого, Атлантического и Индийского океанов, а также морей умеренного пояса (более 300 видов). География мест сбора обширна - это Куба, Сомали, Вьетнам, Филиппины, Китай, Таиланд. Гордостью конхиологической коллекции является раковина Рог Тритона, приобретенная в 2013г. директором музея П. П. Вибе.
Энтомологическая коллекция в музее начала формироваться в конце XIX века. Авторами первых сборов насекомых являлись члены ЗСОИРГО: Е.П. Михаэлис, В.А. Лебединский, Г. П. Дроздов, А. И. Лавров, П. В. Степанов и др. В XX веке свой вклад в формирование энтомологической коллекции внесли А.Н. Седельников, Л.М. Коропова, К.М. Москаленко, А.А. Семенов, В.С. Гребенников и др. В 2000-х гг. фонд насекомых пополнился сборами сотрудника отдела природы ОГИК музея Т.Ф. Кошелевой, а также В.В. Ивонина, С.А. Князева, В.В. Рогалева, С.В. Чуркина, В.Ю.Теплоухова и др.
На данный момент коллекция насекомых, хранящихся в музее, насчитывает около 4000 единиц. В ней представлены 29 отрядов класса насекомых: жесткокрылые, чешуекрылые, перепончатокрылые, двукрылые, прямокрылые, полужесткокрылые, ложносетчатокрылые, равнокрылые хоботные, настоящие сетчатокрылые. Подавляющее количество видов насекомых собрано сотрудниками отдела природы музея во время экспедиций в различные районы Омской области.
Украшением музея является коллекция тропических бабочек и жуков из самых разных стран мира. В коллекции имеется один из самых знаменитых бражников - Мертвая голова; один из крупнейших жуков в мире - бразильский дровосек-большезуб; одна из крупнейших в мире бабочек - Совка агриппина.
Гордостью энтомологической коллекции являются макромуляжи насекомых, выполненные известным художником-анималистом, автором ряда книг по энтомологии В.С. Гребенниковым. Один из них - точная копия бабочки-серпокрылки, с увеличением в 10 раз.
