Die Sammlungen des Naturhistorischen Museums gehen zu einem großen Teil auf das Kuriositätenkabinett von Kaiser Franz I. zurück. Die Abteilung für Mineralogie und Petrographie besitzt einige bemerkenswerte Stücke, wie das Juwelenbouquet, das Maria Theresia ihrem Gatten geschenkt hatte. In der vorgeschichtlichen Abteilung befinden sich jedoch die berühmtesten, in Österreich gefundenen Stücke: die Venus von Willendorf und die Fanny vom Galgenberg, die vor ungefähr 25 000 bis 32 000 Jahren entstanden. Die Abteilung Zoologie präsentiert ausgestopfte Tiere, darunter einen Dodo von der Insel Mauritius.