Az 1899. július 1-jén alakult Békéscsabai Múzeum-Egyesület többek között célul tűzte ki a város illetve a vármegye természetrajzi és paleontológiai értékeinek a gyűjtését, népszerűsítését is. Egy évszázad távlatából visszapillantva Beliczay István, Zsilinszky Mihály, Tarján Tibor, Krammer Nándor és Koncsek József neve tűnik fel, 1900-1903-ban, az első ajándékozók és eladók között. A Múzeum-Egyesület 1899-es megalakulását követően a paleontológiai és az ornitológiai gyűjtés dominált. A még joghallgató és alapító tag Tarján Tibor 1902-ben közel 100 tételes madártojás-gyűjteményt ajándékozott az egyesületnek. (Ennek a gyűjteménynek a II. világháborút követően nyoma veszett.) Ez a gesztus volt a nyitánya egy közel félévszázados ornitológiai gyűjtőmunkának, ajándékozásnak. (E gyűjtemény legkorábbi darabjai 1894-ből származtak.)
Tarján Tibor 1925 után a Természetrajzi Tár őreként, az első igazi természettudományos muzeológusa az intézménynek. Hihetetlen munkabírásával, szakértelmével, szervezőkészségével rövid idő alatt országos hírnévre tett szert. Vadászokkal, műkedvelő madarászokkal, kiváló preparátorokkal (Dinya Elek, Hankó Mihály, Lipták János) szoros kapcsolatot tartott fenn, s így évente 25-50 madárpreparátummal gazdagította a gyűjteményt. (A múzeum a második világháborúig közel 250 madárpreparátummal gazdagodott.) Tarján Tibor tragikus halálát követően, közel negyed évszázadig szünetelt a természettudományos gyűjtés. A gyűjteményben a szükségessé vált selejtezést és újraleltározást Hankó Béla professzor hajtotta végre 1952 és 1954 között. A gyűjteményfejlesztés terén Palágyi Lajos madártojás-gyűjteménye érdemel említést (115 tételes gyűjteményt ajándékozott 1952-ben a múzeumnak), és a Magyar Múzeumok Országos Központja több mint egy tucatnyi ajándéka. 1963-ban a gyűjtemény 583 darabból állt.
A természettudományi szakmuzeológia 1973-ban éledt újra, amikor Réthy Zsigmond került a Munkácsy Mihály Múzeum kötelékébe. Ő a környezet- és természetvédelmi szemléletű muzeológia első letéteményese múzeumunkban. Vezetésével 1980-ban alakult meg a múzeum természettudományi osztálya. Kovács Gyula és Domokos Tamás malakológusok (puhatestűekkel foglalkozó szakemberek) kezdték meg ekkor mellékállású muzeológusi tevékenységüket. A következő évben Kovács Gyula távozott, és Kertész Éva botanikus került főállásba az osztályra. A malakológiai és botanikai gyűjtés nagy lendülettel indult meg, és azóta is tart, elsősorban a természetvédelemre alkalmas területeken, különböző programokhoz kapcsolódva.
Az elmúlt húsz esztendő alatt – Kertész Évának köszönhetően – a botanikai gyűjtemény a semmiből növekedett közel 6 000 tételesre. Az 1980-as években indult meg a „Békés megye természeti képe” című kutatási program, amelynek célja a dél-tiszántúli régió természeti értékeinek feltárása volt. A régió területéről származó növénygyűjtemény jelenleg 5040 tételes. A herbárium kis töredékét (270 tétel) Magyarország más területéről (Balaton-felvidék, Bükk, Mátra, Mecsek, Nagyléta, Pocsaj, Zempléni-hegység) begyűjtött növények alkotják. 2010 és 2012 között feldolgozásra került a Békés Megyei Kormányhivatal Növény- és Talajvédelmi Igazgatóságától ajándékba kapott herbárium, amelynek köszönhetően 2525 tétellel gyarapodott a növénygyűjteményünk.
A természettudományi osztály megalakulásától 1999-ig jelentős (12 000 tétel) kvarter és recens puhatestű (malakológiai) gyűjtemény jött létre Domokos Tamás közel 20 évi gyűjtőmunkájának köszönhetően. A recens (jelenleg élő) malakológiai gyűjtemény 1980-ban nyitott Békés megyei adatbázisa 3325 tételnyi, s elsősorban Bélmegyer, Biharugra és Doboz környéki gyűjtésekből áll. Jelentős még a Körösök vízgyűjtőjéből származó anyag is. A gyors gyarapodás ellenére sikerült a gyűjteményeket megfelelő szekrényekben, fiókokban elhelyezni. A malakológiai gyűjtemény gyarapodása megalakulásától folyamatos, így ma már több mint 20 000 csiga és kagylótétel szerepel a múzeum nyilvántartásában. Legértékesebbek az újonnan leírt csigafajok típuspéldányai, amelyek közül ki kell emelnünk a puhatestű gyűjtemény megalapítójának tiszteletére elnevezett és 2011-ben leírt Agardhiella domokosi kascsiga fajt (lelőhelyei: Románia, Arad és Hunyad megyék). A Békés megyéből származó héjakon kívül rendkívüli jelentőségű a gyűjtemény kárpáti anyaga, amely az egyik legnagyobb kollekció a világon. Bizonyos fajokból, mint pl. a bánáti csiga, a dobozi pikkelyes csiga vagy a kascsigák kárpáti fajaiból pedig a világ legnagyobb kollekciójával rendelkezünk.
A története során közel 30 000 tételre bővült természettudományi gyűjtemény egyik legértékesebb részét ma is azok a Tarján Tibor munkája idején készült, tudománytörténeti szempontból pótolhatatlan madárpreparátumok adják, amelyek legjelentősebb darabjait a Pro Natura kiállításba építették be. A madártani preparátumgyűjtemény közel 200 fajt tartalmaz. A gyűjtések időpontjai két évszám (1927 és 1935) köré csoportosulnak. A legidősebb preparátum 1901-ben készült (Otis tarda – túzokpár), amelynek adományozója Zsilinszky Mihály történész. Az avifaunisztikai gyűjtemény ajándékozói: Abonyi Sándor, Csath András, DÁV, Hankó Mihály, Magyar Múzeumok Országos Központja, Povázsay László, Szurovecz István, Tarján Tibor és az előbb már említett Zsilinszky Mihály.