Bảo tàng Sinh học lưu giữ bộ sưu tập mẫu động vật có xương sống đa dạng về thành phần loài với đầy đủ các nhóm từ cá, lưỡng cư, bò sát, chim và thú.
+ Bộ sưu tập mẫu cá: Tổng cộng có 6.207 mẫu cá nước ngọt, nước mặn và nước lợ, trong đó có 1207 mẫu đã được định loại của 396 loài (chiếm 15,33% tổng số loài cá đã được thống kê ở Việt Nam), bao gồm 941 mẫu nghiên cứu và trưng bày của 350 loài và 266 mẫu mẫu holotype và paratype của 46 loài cá mới cho khoa học được phát hiện ở Việt Nam được công bố bởi GS.TS. Mai Đình Yên như: Silurus cucphuongensis, Hemibagrus centralus, Altigena tetrabarbata,… và một mẫu paratype của loài cá Bống trắng (Glossogobius sparsipapillus Akihito and Meguro, 1976) do thái tử Akihito (sau đó trở thành Nhật hoàng và nay đã nhường ngôi) đã gửi tặng Bảo tàng vào năm 1976. Như vậy, ở Bảo tàng còn khoảng 5000 vật mẫu cá chưa được kiểm kê hoặc định loại do chưa có điều kiện.
+ Bộ sưu tập mẫu Lưỡng cư: Số lượng mẫu lưỡng cư đã kiểm kê là 3299 vật mẫu của 78 loài thuộc 35 giống, 10 họ, 3 bộ chiếm 35,5% (78/220) tổng số loài lưỡng cư đã được phát hiện ở Việt Nam. Bảo tàng Sinh học có mẫu paratype của một số loài lưỡng cư như: Ếch cây Quyết Gracixalus quyeti (VNUH 160706), Ếch cây Orlov Rhacophorus orlovi (VNUH 7.8.97)…
+ Bộ sưu tập mẫu Bò sát: Bảo tàng Sinh học có714 mẫu vật bò sát của 162 loài thuộc 23 họ, 3 bộ chiếm 37,2% (162/435) số loài bò sát đã được phát hiện ở Việt Nam. Ngoài ra, tại Bảo tàng Sinh học còn khoảng khoảng 1.000 mẫu bò sát chưa được kiểm kê hoặc định loại do chưa có điều kiện.
Đặc biệt tại Bảo tàng Sinh học có một mẫu chuẩn (holotype) của loài Rắn nước Tam Đảo: Opisthotropis tamdaoensis (VNUH 010606); Mẫu paratype của một số loài thằn lằn: Cyrtodactylus cryptus (VNUH 7.7.06, VNUH 17.7.06), Cyrtodactylus roesleri (VNUH 220509), Goniurosaurus luii (VNUH 010205).
+ Bộ sưu tập mẫu Chim: có 2.674 mẫu của 381 loài chiếm 45 % (381/848) tổng số loài chim hiện có ở Việt Nam thuộc 18 Bộ, 68 họ. Tuy nhiên, bộ sưu tập chim của Bảo tàng còn thiếu mẫu vật của các loài chim thuộc bộ Hải Âu (Procellariiformes). Tất cả mẫu chim của Bảo tàng đều là mẫu nhồi, có cả mẫu nằm và mẫu đứng.
+ Bộ sưu tập mẫu Thú: Bảo tàng Sinh học có 2.507 mẫu vật thú, của 136 loài và phân loài thuộc 70 chi, 26 họ, 10 bộ. So với tổng số loài thú hiện có ở Việt Nam, bộ sưu tập mẫu vật thú ở Bảo tàng Sinh học của ĐHQG Hà Nội chiếm 45,3 % về số loài (136/300).
Đặc biệt, Bảo tàng có mẫu (mẫu da và sọ) holotype và paratype của loài Vượn mào đen má hung Trung Bộ Nomascus annamensis nov. Spec, Chà vá Pygathrix cinerea và một số mẫu vật chỉ có ở Bảo tàng sinh học mà chưa có trong bộ sưu tập của các bảo tàng khác ở Việt Nam như mẫu nhồi Bò tót (Bos gaurus), Bò rừng (Bos banteng).
Hiện nay Bộ sưu tập của Bảo tàng còn thiếu đại diện của một số bộ thú như Cánh da – Dermoptera; Cá voi – Cetacea, Guốc lẻ – Perissodactyla; Bò biển – Sirenia.