Естественнонаучная коллекция Пятигорского краеведческого музея формировалась на протяжении всей истории развития музея. Начало ее было положено членами Кавказского горного общества, в дальнейшем собрание пополнялось сотрудниками музея, специалистами геологами и дарителями. В результате многолетней работы была сформирована коллекция, отражающая специфику нашего региона. Особая ценность определяется наличием именных коллекций и уникальных экспонатов. В настоящее время естественнонаучная коллекция представлена палеонтологической, минералогической, ботанической и зоологической коллекциями. Небольшая, но достаточно интересная минералогическая коллекция представлена образцами горных пород и минералов, собранных на территории Кавминвод, Кавказа, Урала и Кольского полуострова, полезных ископаемых Ставропольского края и Кавказа, а также образцами минеральных вод. Палеонтологическая коллекция представлена отложениями мезозойской эры из окрестностей Кисловодска, кайнозойскими отложениями окрестностей Пятигорска и Георгиевска, Предгорного района (фрагменты скелета южного слона, отпечатки рыб и др.). Среди палеонтологических находок представлены морские и континентальные отложения, позволяющие отразить историю развития рельефа и органического мира региона Кавминвод. В экспозиции «Природные особенности региона Кавминвод» представлены бивни, зубы, кости мамонта, череп шерстистого носорога, торфяной свиньи и других ископаемых животных. Зоологическая коллекция представлена собранием чучел и яиц диких птиц, чучел млекопитающих, влажными препаратами пресмыкающихся, имеется собрание костного материала (рога и черепа животных), гнёзда птиц, небольшая энтомологическая коллекция. Ботаническая коллекция представлена сборами агронома В.Г. Ольшанского, сборами фармацевтического института (ныне Фармацевтическая академия), сотрудников Перкальского питомника и включает ряд редких видов растений. В фондах хранится коллекция муляжей овощей, фруктов, ягод; спилы деревьев.

Рельефная карта передана в Пятигорский краеведческий музей в 1930 г. из Пятигорской средней школы № 1 (имущество Пятигорской 1-й мужской гимназии). Рельефная карта Кавказского края, выполненная из папье-маше и гипса, точно передает характер территории Кавказа – от Кумо-Манычской впадины на севере до Армянского нагорья на юге. Масштаб – 20 верст в дюйме (в 1 см – около 8 км). Слева внизу экспликация: «КАРТА КАВКАЗСКАГО КРАЯ составлена по материаламъ воен. топогр. отдела Кавказского воен. округа штабсъ-капитаномъ Шатиловымъ. Тифлисъ 1882 года. Масштабъ: для горизонтальныхъ разстояний 20 для, вертикальныхъ 2 версты в дюйм».

Рельефная карта составлена по материалам съемок офицеров Корпуса военных топографов, которым приходилось совершать восхождения на вершины Кавказа, рискуя жизнью, применяя примитивное самодельное альпинистское снаряжение. Карта выполнена с уникальной точностью, поражающей современных картографов.

Череп южного слона и другие части скелета были найдены в октябре 1964 г. в песчано-гравийном карьере у станицы Александрийской Ставропольского края, в 50 км от Пятигорска. Раскопки произведены экспедицией Пятигорского краеведческого музея. В раскопках также участвовали учащиеся средней школы № 6 города Пятигорска. Реставрация черепа произведена в 1965–1966 гг. в Зоологическом институте Академии Наук СССР в Ленинграде под руководством кандидата биологических наук В.Е. Гарутта. Череп принадлежал старому крупному самцу, имевшему дефект: бивни изогнуты по-разному из-за резкой деформации, также была патология в зубной системе.

Наиболее древние останки ископаемых слонов относятся к отложениям конца третичного периода (верхний плиоцен). Известно несколько родов ископаемых слонов: архидискодонты, палеолоксодонты, мамонты и др. Обширная популяция южных слонов обитала на Кавказе в позднетретичное и раннечетвертичное время, когда здесь был теплый климат и обильная растительность в лесах и саваннах. Это животное питалось ветками, корой деревьев, листьями. Высокий рост (до 4,5 м) и длинные бивни (до 3 м) позволяли собирать пищу с больших деревьев. Зубы южного слона имели толстые дентинно-эмалевые пластины. Вымерли южные слоны около миллиона лет назад.

Минерал горный хрусталь. Место сбора: гора Казбек. Размер: 37,2 х 22,7 х 18,8 см. ОФ. 1208. Минерал передан Пятигорскому краеведческому музею Шангиным Анатолием, учеником 6 класса школы № 7 в 1928 г.

Минерал – природный диоксид кремния, бесцветная, прозрачная разновидность кварца, одна из кристаллических модификаций кремнезёма (SiO2). Кристаллы в виде шестигранной призмы, с одного конца увенчанной шести или трехгранной пирамидальной головкой, направлены в одну сторону. Композиция красива и гармонична. Экспонируется на выставке «Природные особенности региона КМВ». Горный хрусталь – минерал магматического происхождения, крупнокристаллическая прозрачная разновидность кварца, применяющаяся как ювелирное и пьезооптическое сырье. Чистые бездефектные кристаллы горного хрусталя встречаются относительно редко и высоко ценятся.

Окаменелое дерево - вещество органического происхождения, в котором под воздействием определенных условий произошло замещение различными минералами, при этом сама структура дерева сохранилась. Отчетливо просматриваются годичные кольца на полированной поверхности и древесная кора. Камень обладает высокой декоративностью, связанной с его рисунком и цветовой гаммой от опалово-белой до розовато-красной. Минерал интересен тем, что на одном его спиле можно увидеть различные по окраске и структуре участки. Декоративная обработка одной плоскости выполнена Чайкиным Виленом Ивановичем (г. Ессентуки). 

Экспонируется на выставке «Природные особенности региона КМВ» как образец минералогической коллекции, образец ценного поделочного камня. Окаменелое дерево – это остатки деревьев, произраставших в Пермский и Каменноугольный период, превращенные в камень. Образование окаменелого дерева, т. е. замещение стволов и их обломков кремнеземом или карбонатом. Основные условия окаменения древесины: быстрое захоронение стволов под слоем осадков: песка, вулканического пепла, глины и т.д., которые препятствуют поступлению кислорода, а следовательно, и гниению древесины. Также необходима циркуляция водных растворов. В-третьих, необходимо присутствие минеральных солей либо в осадках, либо в водных растворах. Окаменелое дерево отлично поддается резке, шлифованию и полировке, после чего приобретает характерный стеклянный блеск. При этом деревянная текстура и рисунок колец прекрасно сохраняются. Дерево часто применяется в ювелирном деле. Спрос на такие ювелирные изделия остается высоким по сегодняшний день. Эту породу часто сочетают с различными драгоценными металлами, с другими камнями или стеклом. Также из стволов и обломков окаменевшего дерева производят разнообразные предметы интерьера – столы, каминные полки, вазы, пепельницы и т.д.