Přírodovědné sbírky muzea čítají přes 6500 exponátů hornin, minerálů a zkamenělin převážně z okolí Nové Paky a Podkrkonoší. Většinu tvoří broušené „polodrahokamy“ a zkřemenělá „dřeva“ prvohorních stromů, jichž je zdejší oblast světově uznávaným nalezištěm.

Petrologické a mineralogické sbírky představují kolekci téměř 4000 exponátů. Mineralogická sbírka obsahuje převážně broušené a leštěné minerály z místních nalezišť. Tyto acháty, jaspisy, karneoly, křišťály, ametysty a další drahé kameny jsou vystaveny v expozici drahých kamenů. Exponáty z petrologické sbírky, zastoupené různými horninami i minerály, najdete pak v expozici vulkanismu.

Paleontologickým sbírkám novopackého muzea dominují zkřemenělé stonky prvohorních rostlin, na jejichž výskyt je zdejší oblast velmi bohatá. Dodnes bylo odsud popsáno několik různých typů stonků, které náleží stromovitým přesličkám, kapradinám, jehličnanům a dalším zástupcům pravěké flóry. Jejich sbírka je jednou z největších v ČR a její ukázky, stejně jako další zkameněliny a horniny různého stáří, zejména mladších prvohor a druhohor, najdete v expozici geologického vývoje.