Prírodovedné zbierky múzea sú prevažne dedičstvom bývalého Karpatského múzea v Poprade a Tatranského múzea vo Veľkej. Po druhej svetovej vojne došlo k spojeniu prírodovedných zbierok týchto dvoch múzeí do jednej prírodovednej zbierky Tatranského múzea okresu Popradského v Poprade (dnes Podtatranského múzea v Poprade). Počas sťahovania zbierok bola časť ornitologických zbierok (duplikátov) darovaná miestnym školám ako učebné pomôcky a niektoré preparáty Zoologickému ústavu UK v Bratislave. Po vzniku múzea v Tatranskej Lomnici sa predisponoval jeden herbár do jeho zbierok. V súčasnosti sa zbierkový fond radí k najväčším prírodovedným fondom u nás. Zastúpené sú v ňom zbierky z karpatskej oblasti, lokalít Európy a aj rôznych častí sveta. Delí sa na fond mineralogický a petrografický, paleontologický, botanický a zoologický.
Príroda
Zoologický fond múzea sa skladá prevažne zo zberov bývalých múzeí v Poprade a má vysokú historickú hodnotu, nakoľko skoro všetky dermoplastické preparáty, motýle, zbierka ulít a mušlí pochádzajú z tohto obdobia. Mimoriadne cenné sú exponáty od Antona Kociana polesného z Oravy (93 dermoplastických preparátov), učiteľa Eduarda A. Hudáka (2866 motýľov). V roku 1926 sa v bývalom Karpatskom múzeu konala 1. lovecká výstava pre Slovensko, z ktorej sa do múzea dostali rôzne poľovnícke trofeje. Dve zubrie hlavy vo fonde pripomínajú pôsobenie kniežaťa Christiana Kraft von Hohenlohe v Tatranskej Javorine.
Novšie zbierky pribúdali až koncom 60. rokov minulého storočia. Bol to entomologický materiál od J. Pechoča a Š. Ferenca, niekoľko dermoplastických preparátov (napr. Vlk dravý, Líška hrdzavá, Medveď hnedý).
Podtatranské múzeum má vo svojom prírodovednom fonde historické herbáre od známych botanikov, ktorí pôsobili na území Spiša a celom území Karpát. Výsledky ich práce sa taktiež sústredili do vtedajších dvoch múzeí a v súčasnosti sú uložené v depozitári múzea. K najznámejším patril botanik Aurel Vilam Scherfel, ktorý sa venoval najmä výskumu flóry Spiša a Vysokých Tatier. Múzeum vlastní aj herbáre od G. Rotha a Darmsta, E. Gy. Nyáradyho, J. Ullepitscha, Behrendsena, F. Hazslinského, I. Györffyho, V. Greschicka, K. Kalchbrennera, L. Wagnera, J. Fabryho, a niekoľko ďalších. Okrem spomínaných herbárov vyšších rastlín sú v múzeu aj herbáre nižších rastlín (machy od K. Kalchbrennera, riasy od F. Hazslinského, morské riasy od H. Raaba) a dendrologické vzorky. V roku 1883 získalo darom Karpatské múzeum, najstaršiu slovenskú herbárovú zbierku mnícha Cypriána z Červeného Kláštora v Pieninách, z roku 1762. V súčasnosti sa nachádza v Slovenskom národnom múzeu. Herbáre múzea patria k najstarším herbárom v Slovenskej republike. Napriek svojmu vysokému veku sú výborne zachované a môžu slúžiť aj dnes ako významný študijný materiál.
Paleontologické zbierky múzea predstavujú nálezy z lokality Hrádok v Gánovciach, a patria k najznámejším nálezom u nás, aj vo svete. Pri ťažbe travertínu sa nachádzali mnohé paleobotanické a paleozoologické fosílie, ktoré v súčasnosti patria medzi najvzácnejšie múzejné zbierky. Lokalitu preslávil najmä nález výliatku mozgovne neandertálca (neandertálskej ženy, ktorý mal obsah 1320 cm3) v roku 1926 . Nález bol predaný za 100 korún učiteľovi, paleontológovi – amatérovi Jaroslavovi Petrbokovi z Prahy a je súčasťou zbierok Národného múzea v Prahe. U nás v múzeu sa nachádza jeho kópia. Okrem týchto zbierok múzeum uchováva aj zbierky ulitníkov a lastúrnikov z treťohôr, a z novšieho obdobia paleontologické nálezy zo Slovenska a z Maroka od RNDr. A. Harničára.
Mineralogické zbierky sú taktiež vo väčšej miere dedičstvom bývalých múzeí. Zbierky pochádzajú prevažne zo Slovenska, ale zastúpené sú aj svetové lokality. Vojnové roky a čas zdecimovali pôvodnú zbierku minerálov múzea skoro o tretinu. K najznámejším zberateľom v minulosti patrili F. Klug, Dr. E. Daits, M. Roth, I. Spöttl. V súčasnosti sa zbierky získali napríklad od Dr. Pavlarčíka, Dr. A. Harničára, O. Šteffovej. Časť zbierok sa získala aj vlastným zberom v teréne.
Činnosť prírodovedného odboru sa sústreďuje najmä na prezentačnú, publikačnú a vedecko – výskumnú činnosť. Z prezentačnej činnosti sú to najmä výstavy a expozície. Za posledné obdobie to bola najmä prírodovedná expozícia s názvom Príroda známa – neznáma, množstvo výstav s prírodovednou tematikou a prednášok. K najzaujímavejším patria výstavy o nálezoch z paleontológie, o diele a činnosti botanika A. V. Scherfela, výstavy mykologické, o ochrane prírody a krásach kameňa. Z vedecko – výskumnej činnosti sa roky venovala pozornosť banským dielam v okrese Poprad, osobnostiam prírodných vied v histórii múzea a zbierkam paleontologických nálezov z Gánoviec. Činnosť odboru prírodných vied je prezentovaná rôznymi článkami s prírodovednou tematikou, publikáciami, metodickou činnosťou a prednáškami.