Wie in allen Museen kann nur ein kleiner, besonders ausgewählter Teil der Sammlungsobjekte in der Ausstellung gezeigt werden. Viele weitere Objekte befinden sich im Magazin des Museums.

Die Sammlungen des Naturkundemuseums umfassen Säugetier- und Vogelpräparate, Vogeleier, Schädel, Insekten-Präparate, Pflanzen (Herbarium), Gesteine und Fossilien. Den Schwerpunkt machen Objekte aus der heimischen Region aus. Im Magazin befinden sich aber auch exotische Präparate.

Ein großer Teil der naturkundlichen Sammlungen wurden dem Naturkundemuseum vom Naturwissenschaftlichen Verein Paderborn im Jahr 1992 als Dauerleihgabe zur Verfügung gestellt. Weitere Objekte sind durch Schenkung oder Ankauf dazu gekommen.