Im Vordergrund der wissenschaftlichen Arbeit steht die sammlungsbasierte Forschung. Zusammen mit der Landessammlung für Naturkunde RLP verfügt das Naturhistorische Museum über eine Forschungssammlung von rund 2 Millionen überwiegend regionalen Objekten, die als Forschungsinfrastruktur für die Wissenschaft eine bedeutende Rolle bei der Klima- und Biodiversitätsforschung darstellen.