Ботаническая часть коллекции (123 единицы) представлена в основном собранием плодов тропических растений, среди которых присутствуют образцы, привезенные из портов заходов НИС «Витязь». Гербарные образцы и влажные препараты водорослей-макрофитов представлены в основном сборами Черного, Балтийского и Белого морей.

Зоологическая  часть (более 1950 единиц) включает таксидермические скульптуры, влажные препараты, остеологические образцы, дериваты.

Таксидермические изделия представлены 134 образцами, среди которых наиболее ценными являются скульптуры морских млекопитающих: белого медведя Ursus maritimus, серого тюленя Halichoerus grypus, северного морского котика Callorhinus ursinus, пестрой нерпы Phoca largha, кольчатой нерпы Pusa hispida, а также таксидермические изделия (шкуры ээкзотических и редких животных — амурского тигра, леопарда, снежного барса, носорога и др.). Собрание таксидермических скульптур активно пополняется благодаря сотрудничеству с Калининградским зоопарком, БФУ им. И. Канта, Национальным парком «Русская Арктика» (г. Архангельск), ассоциацией «Морское наследие».

Большая часть остеологических образцов в музее имеет отношение к теме «Морские млекопитающие». Самые ценные остеологические образцы — скелет головы косатки Orcinus orca, скелет головы малого полосатика Balaenoptera acutorostrata, скелет тихоокеанского моржа Odobenus rosmarus, череп белого медведя Ursus maritimus. Наиболее ярким образцом является полный скелет самца кашалота Physeter macrocephalus длиной 16,8 м, который был добыт в 1975 г. в последнем 15-м рейсе АКФ «Юрий Долгорукий» китобойным судном № 65 «Способный». Скелет до 1993 г. находился в АтлантНИРО. В 2001 г. сотрудниками АтлантНИРО В. В. Суховершиным, Б. А. Леоновым, И. Е. Филатовым была завершена реставрация скелета и выполнен его монтаж в павильоне музея.  Интересна также коллекция челюстей и зубов акул, собранная научным сотрудником АтлантНИРО Ф.Ф Литвиновым, большая часть которой представлена на выставке «Челюсти». Остеологическая коллекция является наиболее активно комплектуемой. Источники комплектования различны: экспедиционные сборы, пожертвования от членов общественной организации Совет по морским млекопитающим (г. Москва), закупки и сборы при посредничестве ЧукотТИНРО (г. Анадырь).

Уникальным является собрание влажных препаратов глубоководной и гидротермальной фауны, демонстрирующее 29 видов беспозвоночных животных. Коллекция была сформирована к.б.н. Л.И. Москалевым, старшим научным сотрудником лаборатории донной фауны Института океанологии РАН им П П. Ширшова. Все образцы имеют подробное описание с указанием точного времени, координат, глубины. Среди  наиболее интересных экспонатов — кальмар Гумбольдта. Он  был передан в музей научным сотрудником АтлантНИРО к.г.н А.В. Ремесло, а изготовлен научными сотрудниками АтлантНИРО Е.И. Кукуевым и В.В. Суховершиным В.В. в мае 2008 г. Научной ценностью обладает и коллекция влажных препаратов рыб семейства миктофовые (46 единиц). Коллекция была сформирована из проб, полученных в рейсах на НИС «Профессор Водяницкий» в  1980 и 1984 гг., обработка произведена в Институте Морских Биологических исследований (г. Севастополь).

Из последних интересных поступлений биологической коллекции можно отметить анатомические препараты приготовленные методом пластинации из дериватов морских млекопитающих — сердце серого кита Eschrichtius robustus и тихоокеанского моржа Odobenus rosmarus, белухи Delphinapterus leucas. Сердца были подготовлены в ООО «Международный морфологический центр» (г. Санкт-Петербург) под руководством к.м.н Старчика Д.А. Метод пластинации позволяет фиксировать уникальные объекты живой природы длительное время, обеспечивать эстетичный вид и хорошую сохранность.

Основными партнерами по комплектованию биологической коллекции музея выступают Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Атлантический научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии (г. Калининград), Совет по морским млекопитающим (г. Москва), Институт океанологии РАН им П.П. Ширшова РАН (г. Москва), Атлантическое отделение Института океанологии им П.П. Ширшова РАН (г. Калининград), Калининградский зоопарк, Чукотский филиал ТИНРО-Центр — ЧукотТИНРО (г. Анадырь), Институт морских биологических исследований (г. Севастополь), национальный парк «Русская Арктика» (г. Архангельск).