Насчитывает более 5 тыс. предметов и представлена чучелами животных и птиц (в основном, образцами фауны Витебского региона), коллекцией яиц и гнёзд птиц, энтомологическими коллекциями (в состав которых входят представители разных отрядов – жесткокрылых (жуков), чешуекрылых (бабочек), стрекоз и др.), коллекцией моллюсков (основная часть – раковины двустворчатых и брюхоногих, представителей Поозерья).
Среди насекомых выделяются в основном представители местной фауны, многие из которых занесены в Красную книгу.
В собрании биологической коллекции музея в большом количестве и многообразно представлены гербарные образцы ядовитых, культурных, редких, поздноцветущих и др. растений, а также гербарии различных фитоценозов Витебской области – растения хвойного и лиственного леса, водные и болотные растения, растения лугов и др.