Từ khi thành lập đến nay, Bảo tàng đã tiếp nhận hàng trăm mẫu động vật các loại, trong số đó có nhiều mẫu quý như mẫu cá mặt trăng, mẫu cá voi lớn (nặng 18,5 tấn), mẫu xương đầu cá sấu hoá thạch, nhiều mẫu và các bộ phận động vật hoang dã quý hiếm như voi, hổ, báo, gấu, khỉ, voọc, công, trĩ, sừng tê giác, ngà voi, vẩy đồi mồi,... Xây dựng bộ mẫu vật hóa thạch chân bụng có giá trị niên đại 20,3 triệu năm tuổi ở Na Dương, mẫu hóa thạch thực vật Tuế niên đại 20,3 triệu năm tuổi ở Na Dương. Gần đây, Bảo tàng sưu tầm bộ sưu tập mẫu hoá thạch cổ sinh có niên đại từ 203-175 triệu năm với hơn 800 mẫu vật Cúc đá, hai mảnh vỏ, Chân bụng, Thực vật hạt trần và Thực vật thân gỗ bị silic hoá. Đây là bộ sưu tập hoá thạch cổ sinh quý, có giá trị đầu tiên của Bảo tàng Thiên nhiên Việt Nam.
Đến nay, Bộ sưu tập mẫu vật thuộc Bảo tàng Thiên nhiên Việt Nam có hơn 40.000 vật mẫu. Trong đó, có hơn 400 mẫu thú, hơn 4.000 mẫu bò sát ếch nhái, hơn 400 mẫu cá, hơn 300 mẫu ốc, hơn 2.000 mẫu cổ sinh, hơn 20.000 mẫu côn trùng, hơn 10.000 mẫu thực vật. Trong số các mẫu vật của Bộ sưu tập, có hơn 50 mẫu chuẩn và đồng chuẩn (30 mẫu cá, 15 mẫu bò sát-ếch nhái, nhiều mẫu côn trùng); một số vật mẫu là các mẫu duy nhất hoặc hiếm của Việt Nam.
Bảo tàng đã ứng dụng kỹ thuật mới trong xử lý và chế tác nhiều tiêu bản mẫu nhồi và mẫu xương động vật, như mẫu xương rắn, tê giác trắng châu Phi,voi, hổ, sư tử, cá voi, v.v...
Trong nghiên cứu phân loại học, đã phát hiện và bổ sung mộ số giống, loài mới cho khoa học: 1 giống rắn, 6 loài bò sát, 8 loài ếch nhái, 1 loài gừng. Bổ sung nhiều loài mới cho hệ động, thực vật Việt Nam. Xây dựng các mô hình vườn bảo tồn cây thuốc tại cộng đồng các dân tộc thiểu số.
Trong nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật sinh học phân tử, các nhà nghiên cứu của Bảo tàng đã (i) Nghiên cứu hoàn thiện gần 20 protocol chuẩn phục vụ cho việc phân loại, nhận dạng mẫu sinh vật quý hiếm, đặc hữu không còn nguyên vẹn như hổ, tê giác, voi, kỳ đà, khỉ đuôi lợn, rắn hổ mang chúa, một số loài gỗ quý... (ii) Góp phần làm sáng tỏ tên khoa học, tên chi cho một số loài tre thuộc chi Bambusa; và (iii) Đánh giá tính đa dạng di truyền nguồn gen cho một số loài thực vật rừng có giá trị kinh tế cao đang bị khai thác cạn kiệt làm cơ sở cho công tác bảo tồn và tái tạo nguồn gen.
Các kết quả nghiên cứu đã công bố trong nhiều tạp chí, kỷ yếu hội nghị, hội thảo trong nước và quốc tế. Trong thời gian 2006 – 2012, Bảo tàng đã có hơn 120 bài báo khoa học, trong đó, có 20 bài đăng trong các tạp chí quốc tế có trong danh sách SCI và SCI-E.
Bảo tàng Thiên nhiên Việt Nam đã tham gia công tác tuyên truyền, giáo dục cộng đồng về thiên nhiên Việt Nam: phối hợp tổ chức triển lãm ảnh côn trùng Việt Nam năm 2010, tổ chức thi và triển lãm ảnh về rừng Việt Nam năm 2011, nhằm hưởng ứng năm quốc tế về đa dạng sinh học 2010 và năm quốc tế về rừng 2011.
Trong lĩnh vực Hợp tác quốc tế, Bảo tàng Thiên nhiên Việt Nam đã và đang hợp tác nghiên cứu, thu thập mẫu vật với các Bảo tàng lịch sử tự nhiên, trường đại học, viện nghiên cứu như Viện động vật St. Peterbua và Vườn thực vật chính Viện HLKH Nga (Nga), Vườn thực vật hoàng gia Edinburgh và Bảo tàng lịch sử tự nhiên London (Anh), Bảo tàng lịch sử tự nhiên New York, Vườn thực vật New York, Bảo tàng lịch sử tự nhiên Cleveland (Hoa Kỳ), Bảo tàng lịch sử tự nhiên Pari (Pháp), Vườn thú Cologne (Đức), Bảo tàng tự nhiên Leiden (Hà Lan), Trường Đại học tổng hợp Stockholm (Thụy Điển), Bảo tàng lịch sử tự nhiên Đại học Florence (Italia), Bảo tàng lịch sử tự nhiên Úc, Trường Đại học Kyoto, Shinshu và Trường Đại học Shizuoka, Trường đại học tổng hợp Kumamoto, Bảo tàng Địa Chất Nhật Bản (Nhật Bản), Viện Động vật Vân Nam, Viện Thực vật Vân Nam, Viện Thực vật Quảng Tây (Trung Quốc), Vườn thực vật Singapore, các trường Đại học Gent, VUB (Vương quốc Bỉ), v.v.