Коллекция музея включает несколько диорам, в которых показаны животные в естественных условиях обитания. ("Лежбище морских котиков", "Колония птиц на берегу океана", "Сайгаки летом").
Одним из уникальных экспонатов Зоологического музея является сохранившийся в вечной мерзлоте мамонт, обнаруженный летом 1900 года на берегу сибирской реки Березовки. Для того чтобы перевезти находку в Петербург, в Сибирь была направлена специальная комиссия, которая занималась подготовкой мамонта к транспортировке. Над мамонтом построили бревенчатый сруб, в котором уникальная находка оттаивала целых два месяца. Потом мамонт со всей осторожностью был доставлен в Петербург, где первыми его увидели члены императорской семьи. Для ценного экспоната была оборудована особая витрина, в которой мамонт демонстрируется и сегодня.
В музее можно также увидеть мумии мамонтят Димы и Маши, погибших около 40 тысяч лет назад. Мамонтенок Дима, в науке известный как магаданский или киргиляхский мамонт, был найден на золотоносном прииске в долине ручья Киргилях в 1977 году. Скорее всего, шестимесячный мамонтенок отбился от стада и провалился в илистое колодцеобразное озеро, из которого не смог выбраться.
В Зоологическом музее регулярно проходят тематические выставки, устраиваются временные показы редких экспонатов из разных музеев мира. Ежегодно музей посещает свыше 800 000 человек.