Ce musée comprend les collections de :
La paléontologie figure dans les collections du muséum dès sa création en 1838, grâce au don de Victor Coquand. Aujourd'hui, le muséum possède plus de 70 000 spécimens liés à cette discipline. On y trouve par exemple les restes d'un rhabdodon découvert à Vitrolles ou d'un titanosaure venant de Trets. Beaucoup de squelettes de dinosaures, de crocodiles, de tortues et de mammifères sont exposés. Le muséum possède aussi une collection de plus de 350 dents de squales datées du Miocène. La collection d'œufs fossiles d'allosaures se situe également dans la salle de paléontologie. La collection paléontologique du Muséum en fait l'un des plus importants musées de France avec le musée des dinosaures d’Espéraza (Aude).
Le don de Louise Rostan d'Abancourt compte de nombreux invertébrés, parmi lesquels un stromatolithe, des trilobites, des orthoceras ou des gastéropodes, mais aussi des fossiles régionaux.
Enfin, les collections de paléobotanique de Gaston de Saporta sont particulièrement remarquables, auxquelles s'ajoutent 3 000 plantes fossiles des environs de Manosque offertes par François Ducros dans les années 1950.
Les collections préhistoriques du Muséum d'histoire naturelle concernent essentiellement la zone géographique de l'Afrique du Nord. Elles résultent de dons d'Ernest Gustave Gobert et de Gabriel Camps. 60 % du fonds archéologique est constitué de pièces lithiques d'Afrique du Nord. Le muséum possède également plusieurs moulages de crânes d'hominidés.
Le Muséum d'histoire naturelle possède 420 000 spécimens liés à la botanique. Son herbier est un des plus importants de la région Provence-Alpes-Côte d'Azur. Un herbier date du XIXe siècle et est l'oeuvre de Frères des Écoles chrétiennes d'Avignon ; l'autre, réalisé par une équipe de maîtres de conférence de l'université d'Aix-Marseille III, a été collecté dans les années 1980 et 1990. Ces herbiers sont aujourd'hui informatisés.
Si le Muséum possédait avant la Seconde Guerre mondiale une importante collection ethnologique, liée à la colonisation massive au cours du XIXe siècle, la quasi totalité de cette collection a été pillée entre 1936 et 1950, lorsque le musée était fermé. Seuls deux masques-heaumes d'Afrique occidentale ont échappé au pillage, ainsi qu'une cinquantaine d'objets sans valeur. Les collections exposées sont donc récentes et ont été réalisées à partir de 1996 et présentent un vaste éventail ethnologique : Guyane, Brésil, Groenland, etc. On peut voir un diorama représentant une scène de vie des îles du Pacifique. Beaucoup de ces objets viennent de saisies de douanes.
Une importante collection zoologique est exposée ou conservée au Muséum : 546 spécimens de mammifères, 1 970 spécimens d'oiseaux, 39 570 spécimens d'insectes, 89 000 spécimens de mollusques, 451 spécimens de reptiles et amphibiens et 83 spécimens de poissons. Parmi les espèces remarquables, on peut citer la collection Meyer, acquise en 1951 et constituée dans les Bouches-du-Rhône, le Var et l'Alsace, mais aussi dans la région de Dakar (Sénégal). Cette seule collection se compose de 20 800 coléoptères. Les collections de mammifères comptent notamment des oryx, des loups, des lynx, etc. La collection léguée en 1898 par Louis de Barrigue de Montvalon, et qui compte 590 spécimens de la faune provençale du XIXe siècle est particulièrement impressionnante.
Le Muséum possède la plupart des moulages crânien réalisé par l'inventeur de la phrénologie, Franz Joseph Gall (1758-1818), légués en 1860 par le pharmacien aixois Jean-Baptiste Assénat, dont certains des moulages sont peut-être l'œuvre. On peut, entre autres, y voir le moulage du crâne de Gall lui-même, mais aussi de Jean-Paul Marat, Jean-François Champollion, Dante, Mirabeau et Napoléon Ier.
13 360 échantillons minéralogiques et pétrographiques sont conservées au Muséum, parmi lesquels la collection d'Henri Coquand, léguée en 1839 dont les spécimens proviennent de Provence et des Pyrénées, au nombre desquels des hématites de l'île d'Elbe, des fluorines de l'Estérel, des boracites de Lunebourg (Allemagne) ou des cuprites de Chessy-les-Mines.