Отдел „Природа“ е създаден през 1971 г. Негов предмет на дейност са образците от природата на Добруджа и Лудогорието. Най-типични за региона ландшафти са степи, влажни зони и гори. Въпреки интензивното развитие на земеделието, в областта е запазено богато биологично разнообразие. Във фондовете на отдела се съхраняват повече от 1 000 експоната – колекции от: безгръбначна фауна, риби, земноводни, влечуги, птици и бозайници. Отделът притежава лаборатория по таксидермия с възможности за изработка на експонати за музейни експозиции и колекции от насекомото до едрия бозайник. В нея е разработена методика за възстановяване на стари експонати. Отделът е участвал в организация на лаборатории и създаване на музейни експозиции в други държави. Негови експонати нееднократно са печелили награди в международни изложения.
Отдел „Природа“ осъществява постоянен мониторинг върху природните резервати и защитените територии: „Яйлата“, „Калиакра“ и „Балтата“; влажните зони Дуранкулак и Шабла. Той изследва и съдейства за защитата на райони, които се нуждаят от специален режим на опазване и съхранение.