Насчитывает 2137 экземпляр. Основу коллекции составляют материалы по млекопитающим, также в ее составе имеются представители других классов позвоночных. В количественном отношении преобладают черепа. Кроме того, коллекция содержит как полные скелеты, так и их фрагменты, и отдельные кости. Краниологические образцы отражают многообразие млекопитающих и включают представителей практически всех отрядов, начиная сумчатыми и неполнозубыми и заканчивая копытными и приматами.
Значительную ценность представляют черепа и скелеты экзотических млекопитающих, приобретенные А.Ф. Котсом в период с 1907 по 1936 годы в Европе у торговых фирм Шлютера, Фрицше, Фрича и Умляуфа. Весьма примечательны черепа представителей семейства свиней, такие как бабирусса и бородавочник, а также скелеты и черепа приматов, в том числе человекообразных обезьян, и полные скелеты нарвала и ламантина. Обращают на себя внимание черепа гиппопотама, индийского слона, дюгоней, африканского черного и индийского носорогов.
Определенный интерес также представляет коллекция рогов копытных (499 экз.), содержащая более 50 экземпляров аномальных образцов. В ее составе присутствуют ценные экземпляры рогов африканских парнокопытных, а также роговые чехлы зубров и бизонов, переданные в музей дочерью известного российского палеонтолога К.К. Флерова Н.К. Флеровой. Отдельные экземпляры рогов (благородный олень, безоаровый козел, винторогий козел, сибирский козерог, архар) экспонировались на международных выставках охотничьих трофеев в г. Будапешт (Венгрия, 1971 г.) и г. Пловдив (Болгария, 1981 г.) и были удостоены Гран-при, золотых и серебряных медалей. Исторический интерес представляет серия рогов – трофеев Царской охоты: зубров, лосей, благородных оленей, косуль, добытых в начале ХХ в. в Беловежской Пуще императором Николаем II и приближенными царского двора, а также их друзьями. Среди них граф Шереметьев, граф Воронцов-Дашков, князь Вяземский, князь Орлов, князь Голицын, барон Фредерикс, генерал Гринвальд и другие. Часть этой коллекции демонстрировалась на выставке «Придворная охота», организованной Государственным историческим музеем в 2002 г.
Серьезное научное значение для сравнительно-анатомических исследований имеет коллекция черепов обезьян, переданная в фонды музея сотрудником института Полиомиелит В.Н. Чернышевым.
В 1997 г. коллекция пополнилась обширной подборкой бивней африканских слонов, конфискованных Шереметьевской таможней при незаконном ввозе на территорию России и переданных на постоянное хранение в Дарвиновский музей.
В орнитологической части коллекции обращают на себя внимание полные скелеты колибри, фламинго и некоторых видов казуарообразных птиц, а также скелет маврикийского дронта, поступивший в музей в составе собрания А.С. Хомякова в 1920 г.
Впервые за столетнюю историю музея богатая остеологическая коллекция была представлена во всей своей полноте и разнообразии в 2005 г. на тематической выставке «Чему учат кости».