Die Sammlung gehört zu den größten Spinnentiersammlungen in Deutschland und ist weltweit bekannt. Hinsichtlich mancher Tiergruppen (Bärtierchen, Skorpione und Spinnen) ist sie eine der international bedeutendsten Kollektionen. Die Sammlung mikroskopischer Präparate von Milben (Acari) gehört zu dem wichtigsten in Deutschland und bei den heterostigmatischen als auch marinen Milben zugleich zu einer der wichtigsten Sammlungen weltweit.

Die Sammlung beinhaltet mehr als 65.000 Arten mit ca. 4 Millionen Individuen und ist damit die größte Sammlung im CeNak. Nach fast vollständiger Zerstörung der Sammlung der Holometabolen (z.B. Käfer, Wespen, Schmetterlinge) und nur teilweisem Erhalt der Hemimetabolen Sammlung (z.B. Heschrecken, Wanzen, Libellen) im zweiten Weltkrieg ist die entomologische Sammlung heute durch Zukauf, Kooperationen und eigene Aufsammlungen wieder zu einer der wichtigsten entomologischen Sammlungen Deutschlands angewachsen. Mit ca. 10 000 Typusexemplaren und einem starken norddeutschen Fokus ist die Sammlung von hohem wissenschaftlichem Wert. Durch ihre erhaltenen alten Bestände hat sie zudem unschätzbaren kulturellen Wert, da sie das Erbe von Mitgliedern des Hamburger Naturwissenschaftlichen Vereins des frühen 19. Jahrhundert darstellt.

Die Geologisch-Paläontologischen Sammlungen gehen zurück auf Sammlungen des 1907 gegründeten Geologischen Staatsinstituts, das seinerseits aus den mineralogischen und geologisch-paläontologischen Sammlungen des früheren Naturhistorischen Museums Hamburg hervorgegangen ist. Die Sammlung trägt zu einem grundlegenden Verständnis der Zusammenhänge zwischen geologischen Prozessen, Klimaänderungen, Evolution und der Entwicklung der Artenvielfalt im europäischen Raum bei.

Die Herpetologische Sammlung ist die viertgrößte deutsche Sammlung von Kriechtieren (Amphibien und Reptilien). Sie zeichnet sich durch einen hohen Anteil von Stücken aus dem 19. Jahrhundert aus. Die ältesten Stücke sind südamerikanische Schlangen, die Prinz Maximilian Wied zu Neuwied (1782-1867) gesammelt und beschrieben hat. Die Sammlung beherbergt Exemplare der ausgestorbener Arten Mauritius-Boa und Kaverdischer Riesen-Skink und die wertvollen australische Aufsammlungen von Amalie Dietrich (1821-1891).

In der Sammlung sind über 8.000 Fischarten in über 1.300 Typenserien (davon 42 % Primärtypen) aus allen Ozeanen und von allen Kontinenten enthalten. Somit werden etwa ein Viertel aller bekannten Fischarten und zwei Drittel aller Atlantik-Fischarten repräsentiert. Sie ist die größte Fischsammlung Deutschlands mit in Europa und Nordamerika ausgestorbenen Fischarten und kostbaren Präparaten aus dem 19. Jahrhundert, z.B. aus Sammlungen von Godeffroy und Bleeker. Das älteste Sammlungsobjekt datiert aus dem Jahr 1838.

In der Sammlung ist Material von allen Kontinenten und aus allen Ozeanen vertreten. Bedeutende Sammlungsschwerpunkte bilden Landschnecken aus Südosteuropa und Vorderasien, dem nordwestlichen Südamerika (Kolumbien, Peru) und Ostafrika (Uganda), Süsswassermollusken aus Thailand und marine Mollusken aus der antarktischen und der patagonischen Region. Die Sammlung erhält durch durch die Fänge von Forschungsschiffen ("Walter Herwig", "Polarstern") und durch die übernahme von Privatsammlungen regelmäßige Zuwächse.

Die Sammlung ist eine der bedeutendsten Sammlungen ihrer Art in Deutschland mit 10.000 Zähleinheiten Skelettmaterial und 5.000 Zähleinheiten Alkoholmaterial überwiegend großer Säugetiere. Schwerpunkte der Sammlung sind Hornträger und Wale, Unpaarhufer, Primaten, Raubtiere, Meeressäuger und Fledermäuse. Insgesamt beherbergt die Säugetiersammlung mehr als 17.000 Individuen. Von großer Bedeutung ist die Sammlung von Gehirnen.

Minerale, Edel- und Schmucksteine, Meteoriten, Erze und Gesteine: Der Bestand der Mineralogischen Sammlung der Universität Hamburg umfasst rund 90.000 Objekte und macht sie damit zu einer der größten ihrer Art in Deutschland. Die umfassenden Referenzsammlungen bilden die Grundlage der geowissenschaftlichen Ausbildung und Forschung an der Universität.

Die umfangreiche ornithologische Sammlung umfasst 3.500 Arten. Dazu gehört umfangreiches historisches Material und Teile der ornithologischen Sammlung des Museums Godeffroy aus dem Südpazifik. Geographische Schwerpunkte insgesamt sind: Deutschland, Sao Tomé, Ferner Osten Russlands, China, Angola, Ost Afrika, Indien, Pazifik, Peru, Ecuador, Guatemala, Phillipinen, Neu Guinea, Australien, das Bismarck Archipel und Federn von Vögeln der West Paläarktis. Bemerkenswert ist die große Europa umfassende Sammlung der Elster (Pica pica).

Die Sammlung umfasst alle vielzelligen Tiere, die nicht zu den Wirbeltieren, Arthropoden, Mollusken oder Polychaeten gehören. Dazu gehören Schwämme, Nesseltiere, alle wurmartigen Gruppen (Platt-, Rund-, Ringelwürmer und andere), Stachelhäuter und Manteltiere. Teile der Sammlungen sind von internationaler Bedeutung. Allem voran stehen die 4000 Oligochaeten-Präparate, darunter mehr als 1350 Typen, anhand derer eine Art neu beschrieben wurde. Dies bedeutet, dass etwa 16% des Typenmaterials für Oligochaeten in der Hamburger Sammlung steht.

Die Sammlung ist die größte deutsche Sammlung der Krebstiere und Meeresborstenwürmer.Sie beinhaltet Material aus der Gazelle- und Challenger-Expedition sowie Material aus den Sammlungen Godefroy, Ehlers und Pfeffer. Das Material kommt aus allen Ozeanen und von allen Kontinenten. Die biogeographischen Schwerpunkte liegen u. a. in den Südkontinenten vor dem Hintergrund der Plattentektonik- und Vikarianzforschung.