大连自然博物馆是以收藏动物、植物、岩矿标本和古生物标本为基础的自然史博物馆，现有各类馆藏标本10万多件，以东北地区为主，涵盖全国各省市及南美、北美、欧洲、东南亚、东亚等地。

植物标本数量种类最多占50%，其中模式标本十几种，国家一级保护植物人参、水杉、珙垌等，二级保护植物水松、银杏、鹅掌楸、刺参等，还有藻类标本1000多份，真菌标本200多份，苔藓植物2000多份，鸟兽、两栖爬行动物标本5000多件，海兽是本馆特色标本：六十多吨重的黑露脊鲸、五十多吨重的抹香鲸、三十多吨重的长须鲸、十几吨重的灰鲸，还有虎鲸、海狮、海豚、海豹、海狗及有“美人鱼”之称的儒艮，家族之庞大堪称亚洲第一；陆生兽类有国家一级保护动物大熊猫、东北虎、金丝猴等及来自国外的北极熊、斑马、犀牛等，还有国家一级保护爬行动物扬子鳄、蟒蛇，国家一级保护鸟类白鹳、黑鹳、丹顶鹤等，以及许多国家二级保护动物标本。

鱼类标本有中华鲟、文昌鱼、蓝枪鱼，鲨鱼等，一、二级保护鱼类3000多件美丽漂亮的各种贝壳及五光十色的蝴蝶标本也点缀着我馆丰富的馆藏。岩矿标本有重100多公斤的珍贵水晶晶族、五彩缤纷的各种宝石、稀有的自然金块，及大陨石、精美的晶族岩矿标本等。古生物标本有产于大连地区的大连马、普氏野马中国亚种、大连棒鸡、原东北鼢鼠等模式标本。以及大量产于辽西的“热河生物群”化石群落。仅大连地区晚更新世脊椎动物化石就有上万件。大连自然博物馆馆藏很丰富，而且海兽家族标本构成了其独特的风格。