Le Musée de la nature conserve dans ses collections près de 200'000 objets, des minéraux, des plantes et des animaux, témoins des travaux scientifiques réalisés depuis près de deux cents ans en Valais. Elles constituent les références pour la connaissance et la conservation de la diversité biologique et minéralogique du canton.
Guide de visite du Musée de la nature
Les herbiers conservés au Musée de la nature contiennent environ 70’000 plantes récoltées et préparées dès les années 1830 et jusqu'au 21e siècle. Les herbiers d’Alphonse Rion (1809 – 1856, achat en 1860, complété en 2003 par une partie de l’herbier retrouvé à Sion) et de Louis de Courten (1800 - 1874, don de son fils en 1874), avec de nombreuses plantes des botanistes du 19e siècle contiennent environ 15'000 plantes. L’herbier de Ferdinand Otton Wolf (1838 - 1906, conservateur dès 1873) documente son importante activité botanique en Valais. Le Musée de la nature a aussi reçu en 2006 son herbier conservé au Musée alpin de Zermatt. Au 20e siècle les herbiers ont été complétés par Charles Meckert (1896 - 1970, conservateur du Musée de 1925 à 1962). De nombreux herbiers ont ensuite été confiés au Musée. Le Collège de l’Abbaye de Saint-Maurice a remis en 1997 les précieux herbiers de l’abbé Ignace Mariétan (1882 – 1971, président de La Murithienne de 1923 à 1971)) et de Hermann Christ (1833 -1933, remis à Mariétan en 1926), puis en 2009 les herbiers d’Emile Bertrand (1875 – 1959), des Chanoines Otto Jacomet (1905 - 1980) et Jean Deschenaux (1910 - 1999). L’herbier de René Closuit de près de 5000 plantes a été remis en Musée par la famille en 2006.
En 2013, le Musée botanique de Lausanne a fait don de l'herbier Coquoz comprenant 2000 parts de la région de Salvan - Martigny. La même année, Egidio Anchisi a fait don de son herbier riche d'env. 6000 parts témoignant de plus de 50 ans d'observations valaisannes (de 1950 à aujourd'hui) et une recherche aboutie sur Le Catogne.
Les collections entomologiques, collectées dès la fin du 19e et jusqu’au 21e siècle conservent près de 80'000 insectes. De 1890 à 1896, le Musée a mandaté Maurice Paul (1835 - 1898), entomologiste, pour constituer une collection générale valaisanne. Le Chanoine Emile Favre (1843 - 1905), botaniste et entomologiste, auteur des ouvrages de références sur les coléoptères (1889) et les lépidoptères (1899 à 1909) du Valais a laissé une collection de 60 boîtes qui a été déposée en 2009 au Musée par le Collège de l’Abbaye de Saint Maurice. En 1910, le Musée a acquis la collection d’Arnold Wullschlegel (1849-1912), lui consacrant les budgets d’acquisition de cinq ans. Les collections de Raphy Rappaz, Emmanuel de Bros et Nicolas von Roten documentent la faune de la fin du 20e siècle.
Les collections du Musée conservent près de 5000 Vertébrés, principalement les oiseaux et les mammifères d’Europe. Les grands prédateurs exterminés au 19e siècle sont les pièces historiques marquantes du Musée : ours d’Hérémence (1830) et Zermatt (1894), lynx de Zermatt (1895, probablement le dernier conservé en Suisse de la population alpine), gypaètes de 1880 et 1891. Le gypaète (Republic V) et les lynx récents illustrent leur nouvelle présence dans nos paysages. Les loups, témoins du renouveau de la grande faune dans les Alpes, interrogent sur les relations que l’homme entretient avec la nature
Les races valaisannes des animaux domestiques sont présentes avec mulet, vache d’Hérens, moutons Nez Noir, Brun du Valais et Blanc des Alpes, chèvre Col Noir, animaux acquis par l’Association des Amis du Musée.