Les collections zoologiques du musée font partie des plus grandes du monde et comptent plus de 21 millions d’objets.
Poissons : Les collections d’ichtyologie comptent 1 100 squelettes, 1 750 spécimens séchés et plus de 130 000 spécimens conservés dans du formol. Elles sont riches de 1 700 types différents. Les exemplaires les plus anciens sont ceux de Marcus Elieser Bloch (1723-1799) et de Peter Simon Pallas (1741-1811) et datent du XVIII siècle. Parmi les autres collections d’importance historique, il faut citer celles de Johannes Peter Müller (1801-1858), celles d’Amérique du Sud de Alexander von Humboldt (1769-1859), Robert Hermann Schomburgk (1804-1865) et Moritz Richard Schomburgk (1811-1891), celles d’Afrique de Wilhelm Carl Hartwich Peters (1815-1883), Franz Ludwig Stuhlmann (1863-1928), et Friedrich Fülleborn (1866-1933), celle du Japon de Franz Martin Hilgendorf (1839-1904), celles de la Mer Rouge de Friedrich Wilhelm Hemprich (1796-1825), Christian Gottfried Ehrenberg (1795-1876) et Carl Benjamin Klunzinger (1834-1914), et celles du sud-est asiatique de Francis Day (1829-1889) et de Eduard Carl von Martens (1831-1904).
Mammifères : Ce département compte 150 000 spécimens dont un millier de types différents, fruit de deux cents ans d’effort notamment d’Hinrich Lichtenstein (1780-1857), de Wilhelm Peters (1815-1883), de Paul Matschie (1861-1926) et bien d’autres.
Crustacés : 27 000 spécimens sont conservés dans ce département, les plus anciens sont ceux rassemblés par Johann Friedrich Wilhelm Herbst (1743-1807).
Invertébrés marins : Ce département compte 40 000 spécimens d’onze phylums comme les porifères, les cnidaires, les échinodermes, etc. Les principales collections ont été faites durant le XIX siècle et au début du XX siècle notamment par Christian Gottfried Ehrenberg (1795-1876), Carl Benjamin Klunzinger (1834-1914), Ludwig Heinrich Philipp Döderlein (1855-1936), Fritz Schaudinn (1871-1906), de Willy Georg Kükenthal (1861-1922), ...
Mollusques : Cinq millions de spécimens sont conservés ce qui en fait la deuxième collection en nombre de spécimens du muséum après celle d’entomologie. Nombre d’entre eux ont été rassemblés par Eduard Carl von Martens (1831-1904). Le muséum a acquis, au cours de l’histoire, différentes collections historiques comme celles de Wilhelm Bernhard Rudolph Hadrian Dunker (1809-1885), de Friedrich Paetel (1812-1888), de Franz Alfred Schilder (1896-1970)...
Insectes : Le département compte neuf millions de spécimens.