Muziejuje saugoma didžiausia Lietuvoje zoologinė kolekcija, kurioje yra apie 300 000 vienetų įvairiausių zoologinių preparatų: iškamšų, griaučių, kaukolių, odų, kiaušinių, skystyje konservuotų, mumifikuotų (sausų) ir kitokių.

Vieni skirti mokymo (eksponavimo, demonstravimo) tikslams, kiti – moksliniams tikslams. Vertingiausieji sudaro pagrindinį fondą, mažesnės vertės – pagalbinį.

Rinkiniai suskirstyti į kolekcines grupes: bestuburių, entomologiniai, ichtiologiniai, herpetologiniai, ornitologiniai, ir teriologiniai.

Zoologiniai preparatai rinkiniams paruošiami iš gautų negyvų gyvūnų, dažniausiai žuvusių gamtoje ar nugaišusių nelaisvėje. Pagrindiniai jų tiekėjai yra gamtosaugos ir gamtotyros įstaigos, Lietuvos zoologijos sodas, privatūs zoologijos sodai ir terariumai.

Bestuburių rinkinį sudaro 55902 vnt., iš kurių: kriauklės –53330 vnt., sausi – 694 vnt., fiksuoti skystyje – 1845 vnt., suakmenėję – 31 vnt. ir parafinuoti – 2 vnt.

Čia saugoma ir intensyviai pildoma pagrindinė Lietuvos moliuskų faunos kolekcija. Išskirta keletas autorinių malakologinių kolekcijų: H. Lomanderio kolekcija, E. Liutikienės kolekcija, M. Gižo kolekcija, P. Šivickio kolekcija, V. Matuzevičiaus kolekcija.

Entomologinės kolekcijos – tai ilgo ir kruopštaus kelių žmonių kartų darbo rezultatas, centrinė Lietuvos vabzdžių kolekcija.

Sukaupta apie 190 000 vabzdžių preparatų.

Atskiras saugojimo grupes sudaro autorinės entomologinės kolekcijos: K. Ario kolekcija, S. Karaliaus kolekcija, V. Bačiansko kolekcija, V. Inokaičio kolekcija, V. Tamučio kolekcija, Čepkelių VR kolekcija, Kamanų VR kolekcija.

Ichtiologiniame rinkinyje sukaupta 2930 preparatų. Daugumą mokslinės kolekcijos sudaro skystyje konservuoti žuvų kūnai.

Demonstravimui skirta daugiau kaip 100 iškamšų ir parafinavimo metodu pagamintų preparatų.

Kolekcionuojant pirmiausiai siekiama fiksuoti žuvų paplitimą Lietuvos vandenyse.

Herpetologiniame rinkinyje kaupiami varliagyvių ir roplių zoologiniai preparatai. Iš viso rinkinyje yra apie 3500 kolekcinių vienetų. Skystyje konservuoti gyvūnų kūnai – 3200 vnt., apie 100 iškamšų, o likusieji 150 vnt. – tai skeletai, jų dalys, odos, kiaušiniai, parafinuoti eksponatai ir kt.

Ornitologinių rinkinių grupę sudaro ornitologinių (paukščių kūnų) preparatų rinkinys ir oologinis (kiaušinių ir lizdų) rinkinys.

Ornitologijos saugyklose sukaupta apie 10 000 kolekcinių vienetų: apie 6500 paukščių odų preparatų, apie 1800 iškamšų, apie 1600 vienetų skeletinių preparatų, 600 skystyje konservuotų preparatų, apie 1000 paukščių kiaušinių dėčių, 150 lizdų.

Pagrindinę rinkinio dalį sudaro Lietuvos paukščių preparatai, bet turime ir kitų kraštų faunos atstovų: Brazilijos, Tadžikistano, Azerbaidžano, Buriatijos ir kt.

2003 metų duomenimis, Kauno Tado Ivanausko zoologijos muziejaus paukščių kolekcija tarp 130 tokio tipo didžiausių Europos muziejų kolekcijų (pagal rinkinio dydį) užima 69 vietą.

Teriologiniame rinkinyje saugoma 367 žvėrių rūšių 6970 preparatų. Tarp jų 531 iškamša, daugiau kaip 1200 odos ir odos darinių preparatų, apie 4500 kaulų preparatų, 705 skystyje konservuoti preparatai ir kt.

Rinkinyje stengiamasi atspindėti Lietuvos gyvūnijos įvairovę ir jos pokyčius.