Die zoologischen Sammlungen mit den Schwerpunkten der Insekten- und Vogelfauna Ostthüringens enthalten ca. 125.000 Präparate. Den Hauptteil davon umfassen jene Sammlungen, welche den Mitgliedern des Entomologischen Vereins „Lepidoptera“ (1881-1949) und der daraus hervorgegangenen Geraer Fachgruppe „Insektenfreunde“ zu verdanken sind. Da die Schmetterlingssammlung des Vereins sowie die Kollektion des Geraer Malers Heino Lonitz 1945 verbrannte, stammen die ältesten erhaltenen Insektensammlungen von Johannes Riegel (1875-1962), Max Nicolaus (1883-1961) Paul Scheffler und Karl Ritter (1909-1998). Sie präsentieren mit 43.700 präparierten Exemplaren die Biodiversität von 1910-1960 aus dem Geraer Gebiet zur Zeit kleinbäuerlicher Landwirtschaft, darunter wichtige Belege inzwischen verschollener Schmetterlings- und Käferarten. Die 1941 erworbene Sammlung Nicolaus verbrannte 1945. Mit großem Fleiß trug er nach dem Krieg erneut eine Ostthüringer Belegsammlung zusammen, in der weitere Gruppen wie Zikaden (5.000 Exemplare) oder Schwebfliegen (375 Exemplare) vertreten sind.

Die Lokalfauna vor 1960 wird auch durch die Sammlung von Berthold Schnappauf (1907-1977) mit heimischen Insektenordnungen in 175 Kästen dokumentiert. Allein zwei Kästen mit zusammen 123 Hirschkäfern werfen ein Schlaglicht auf Intensität seiner umfassenden Sammlungstätigkeit. Die Sammlung Malte Jänickes präsentiert in 250 Kästen von 1947 bis in die Gegenwart eine große Breite an Insektengruppen, darunter die für Thüringen wichtige Spezialsammlung heimischer Pflanzenwespen. Darüber hinaus sind auch Vielfüßer und Spinnentiere vertreten.

Die Käfersammlung Rudi Damms wurde als forstliche Lehr- und Vergleichssammlung zu Ausbildungszwecken angelegt und umfasst über 1400 Arten aus den Jahren 1985-2012, vorwiegend aus Ostthüringen. Der Feldforscher und vielseitig aktive Geraer Biologe Karl Breinl (1952-2010) hinterließ dem Museum seine Sammlung wirbelloser Tiere wie Heuschrecken und Libellen in 92 Kästen systematischer Sammlung, Feuchtpräparate von Spinnen und Weichtieren und den Nachweisen aus Bodenfallen seiner umfangreichen gutachterlichen Tätigkeit. Enthalten ist auch das Material seines Vaters Werner Breinl (1919-1989). Aus den historischen Konchyliensammlungen Wilhelm Israels (1872-1928) und Karl Theodor Liebes (1828-1894) haben nur wenige Belege den Museumsbrand von 1945 überdauert. Ein Ostthüringer Vorkommen der Flussperlmuschel ist für 1957 belegt.

Für die Wirbeltiersammlung spielte das Wirken der Geraer Präparatoren Carl Feustel (1861-1940) und Richard Hönicke (1891-1979) eine besondere Rolle. Die Vogelsammlung des Hauses umfasst mehr als 3.500 Präparate. Neben dem undatierten Exemplar der ausgerotteten Wandertaube und einer 1934 bei Wilhelmsthal geschossen Großtrappe sind das Standpräparat eines Sommergoldhähnchens von Christian Ludwig Brehm (1787-1864) sowie der vorbildlich erstellte Balg eines Rosaflamingos von Alfred Edmund Brehm (1829-1884) kostbare historische Einzelstücke. Mit der Schenkung einer Sammlung exotischer Vögel und Insekten des Geraer Tierpräparators Carl Feustel beherbergt das Museum 88 Kolibris, 42 Paradiesvögel, 100 weitere Präparate exotischer Vögel sowie ein originaler Schrank mit exotischen Insekten. In Feustels Werkstatt entstanden auch Präparate zur heimischen Vogelwelt, welche z.B. mit Ringdrossel, Rotkopfwürger, Schwarzstirnwürger, Steinkauz und Rotfußfalke aus der Umgebung von Weida Einblicke in die Artenvielfalt der Region zu Beginn des 20. Jahrhunderts liefern.

Sehr anschaulich sind die 30 Kleindioramen des Präparators Richard Hönicke (1891-1970) aus der Zeit zwischen 1939 und 1946. Mit künstlerischen Geschick und einfachsten Materialien entstanden umfassende Lebensraumgestaltungen für Zwergtrappe, Gebirgsstelze oder Hohltaube. Bedeutsam sind auch die von Berthold Schnappauf gesammelten Vogelbelege und -serien. Durch Kenntnis der Lebensweise und Genauigkeit in der Präparation gelangen ihm anschauliche Nachweise zur heimischen Vogelwelt, wie das Präparat einer Blauracke aus Gera-Milbitz von 1947 sowie vier Weißsternigen Blaukehlchen aus Gera-Langenberg von 1929-1954. Die mit 500 Präparaten überschaubare Säugetiersammlung beherbergt neben Schaustücken wie Eisbär und Gibbons Ostthüringer Nachweise für Biber, Feldhamster, Fischotter, Haselmaus und Wildkatze sowie 50 Reh-Trophäen aus der Sammlung Rudi Damms.

Eindrucksvolle Gehörne afrikanischer und indischer Huftiere gehören zum historischen Sammlungsbestand. Im 20. Jahrhundert wurden die Exponate in der Kolonial-Abteilung des Städtischen Museums gezeigt und entstammen den vielfältigen Kontakten in besetzte Gebiete. Die Trophäen gehören zu überaus großen Exemplaren von Arni, Afrikanischem Büffel; mehreren Arten Kuhantilopen und vielen weiteren Paarhufern sowie einem Nördlichen Breitmaulnashorn, dessen Unterart erst nach seiner Erlegung 1905 in Kamerun beschrieben wurde und heute als ausgerottet gilt. Hervorzuheben ist die kontinuierliche präparatorische Betreuung der Sammlungsbestände und Ausstellungsvorhaben bis in die Gegenwart. So besitzt das Museum die Verantwortung für die Aufnahme und wissenschaftliche Bearbeitung von Totfunden gesetzlich geschützter Arten im Raum Gera, welche seit 2000 durch den Präparator Rainer Michelsson bearbeitet werden. So werden Säugetiere und Vögel verstärkt in Ethanol aufbewahrt, um zukünftig eine zerstörungsfreie Bearbeitung an vollständig erhaltenen Belegexemplaren zu ermöglichen.