Il museo dispone di migliaia di reperti, divisi in tre sezioni principali:
Sezione geomineralogica
Sezione paleontologica
Sezione zoologica
Sezione geomineralogica
Dedicata a Cesare Rastelli, promotore insieme a Romano Dezi di questa importante sezione, ospita numerose specie di minerali provenienti da diverse regioni italiane ed estere, nonché rocce della formazione umbro-marchigiana ed altre formazioni geologiche. Tra i vari esemplari esposti, sono presenti reperti di fluorite, calcite, pirite, malachite, gesso e rocce caratteristiche del territorio marchigiano, nonché un blocco di lava dell’Etna solidificata ed uno di carbon fossile.
Sezione paleontologica
Ricca di numerosi reperti marchigiani del periodo Giurassico Inferiore, più precisamente del Torciano Superiore, circa 185 milioni di anni fa, rinvenuti sul Monte Carcatora presso Cingoli, questa sezione nel tempo si è arricchita di ulteriore materiale originario di altri siti. Tra i reperti esposti, vi sono dei molluschi gasteropodi provenienti dal bacino di Parigi, risalenti a 250 milioni di anni fa, al limite tra i periodi geologici del Permiano e del Triassico.
Sezione zoologica
La più consistente collezione presente nel museo si compone di quattro principali sottosezioni: teriologica (mammiferi), ornitologica (uccelli), entomologica (insetti) e malacologica (conchiglie).
La sottosezione teriologica espone diversi esemplari sia della fauna locale, quali il lupo appenninico, lo sciacallo dorato, il daino, il capriolo e il cinghiale, ma anche africana, provenienti dalla collezione della famiglia Bernocchi.
La sottosezione ornitologica comprende oltre 1000 esemplari provenienti da varie collezioni private, fra questi spiccano aquile reali, gufi reali, fenicotteri, gru e numerose altre specie, tra cui il passero solitario, cantato dal poeta recanatese Giacomo Leopardi.
La sottosezione entomologica ospita insetti e altri artropodi presenti in varie regioni del mondo. I lepidotteri sono l’ordine più rappresentato, con farfalle tropicali e locali. Poi altre curiose particolarità come un nido di calabroni, l’alveare dell’ape da miele, numerosi coleotteri ed aracnidi.
La sottosezione malacologica include conchiglie e coralli che provengono per lo più da donazioni private. Tra i gasteropodi spiccano varie specie di velenosi Conus, poi bivalvi, tra cui la gigantesca Tridacna gigas e cefalopodi, come il Nautilus, vero e proprio fossile vivente. Fra i coralli, invece, si mostrano in tutta la loro bellezza gli organismi che compongono la barriera corallina, come gorgonie ed esacoralli.