История коллекций Зоологического музея восходит к истории первого отечественного музея – Кунсткамеры, основанного в 1714 году. Из Москвы были перевезены естественноисторические коллекции, приобретенные Петром I во время его путешествия в Голландию в 1698 году, хранившиеся при Аптекарском приказе. Первоначально они были размещены в Зеленой гостиной Летнего дворца. В 1716 году были приобретены коллекции А. Себы и Х. Готвальда, в 1717 году – Ф. Рюйша.

В современной экспозиции представлены систематические коллекции всех основных групп животных, биологические группы и диорамы, всего более 20 000 экспонатов. Наибольший интерес для посетителей представляет экспозиция мамонтового раздела со знаменитым чучелом «Березовского мамонта», мумиями мамонтят и остатками мягких тканей животных, сохранившихся в вечной мерзлоте в течение 20–55 тысяч лет. Уникальны также коллекции животных Центральной Азии с экземплярами, добытыми Пржевальским и Козловым, коллекции сумчатых животных, райских птиц, попугаев, колибри, хищных птиц, змей, моллюсков, кораллов и насекомых. Экспонируется более 100 биологических групп и 6 диорам.