Kierownik Działu - mgr inż. Marek Słupek
Pracownicy: mgr Rafał Kuropieska, Ewa Marczyńska - Małek, Ewa Jończy
Zbiory przyrodnicze Działu Przyrody są kontynuacją gromadzonej przez Polskie Towarzystwo Krajoznawcze już od roku 1913. Z uwagi na brak fachowej opieki i niewielką ich liczbę w roku 1965 planowano ich przekazanie szkołom i Muzeum Narodowemu w Kielcach, działania przyrodników radomskich zapobiegły jednak temu, Dynamiczny rozwój kolekcji datuje się od chwili przekształcenia Muzeum Regionalnego w Radomiu w Muzeum Okręgowe.
Na gromadzone zbiory przyrodnicze składają się okazy z następujących kategorii: ornitologia (ptaki, gniazda), oologia (jaja), zoologia (ssaki, gady, ryby), paleontologia (skamieniałości), entomologia (owady), botanika (karty zielnikowe). W zbiorach zielnikowych znajdują się okazy pochodzące z Laponii. Na uwagę zasługują także zbiory zdjęć przyrodniczych najlepszych polskich fotografików przyrodniczych Artura Tabora, Sławomira Wąsika i W. Sujaka.
Do unikalnych w skali kraju kolekcji należy jeden z największych w Polsce zbiór jaj ptasich Leopolda Pac-Pomarnackiego.
W kolekcji ptaków znajdują się okazy cytowane w ogólnopolskich opracowaniach naukowych, należą do nich puszczyk uralski, cyranka bajkalska,
oraz pochodząca z Ameryki Północnej zalatująca do Europy wyjątkowo sterniczka a także maskonur. Ponadto: orzeł przedni, bielik, puchacz, cietrzewie, głuszce
oraz bogaty zbiór drobnych ptaków, wśród których znajduje się m.in.: wąsatka, czeczotki, jemiołuszka, żołna i inne. Wśród zbioru ssaków na uwagę zasługuje rosomak, największy z drapieżnych łasicowatych, suhak - euroazjatycka antylopa.
muflon, daniel, czy drobne ssaki w tym chomik europejski, orzesznica i norka amerykańska.
Osobnym zbiorem jest kolekcja afrykańska, której początek dały trofea myśliwskie gromadzone w Radomiu już od 1913 r. Z tej kolekcji na uwagę zasługuje m.in. mamba pospolita - jadowity nadrzewny wąż, pingwin przylądkowy
zwany z racji swego głosu przypominającego osła - tońcem, należący razem z dropikiem czarniawym
(znajdującym się także w ww. kolekcji) do gatunków zagrożonych wymarciem. Kolekcję ptaków uzupełniają charakterystyczne (endemiczne) dla kontynentu afrykańskiego czepigi zwane przez miejscową ludność z racji swojego zachowania ptakami-myszami, sierpodudki, wikłacz ognisty, wikłacz maskowy, sóweczka sawannowa, toko żółtodzioby (ptak z rodziny dzioborożców) i wiele innych.
Ssaki reprezentują m.in. medaliony (wypreparowane popiersia) afrykańskich antylop: impali,
oryksa południowego, bawolca rudego, gnu, a także drobne ssaki np.: żywiące się m.in. wężami, mangusty czy też ryjoskoczki.
Gromadzone przez dział zbiory obejmują również pokaźną kolekcję fauny krainy orientalnej (Azji płd.-wsch.), na którą składają się m.in. takie okazy jak: wyrak
(jeden z gatunków małpiatek), tupaje
- przypominające wyglądem szczura lecz przez niektórych systematyków zaliczane do rzędu naczelnych), turkuśnik indyjski,
zimorodek rdzawogrzbiety,
papugi królewskie,
a także zbiór motyli i chrząszczy Wysp Sundajskich.
Całkiem pokaźny jest zbiór entomologiczny Działu Przyrody, na który składają się kolekcje owadów krajowych pochodzących z terenu Radomia tj. "Motyle doliny Kosówki", "Motyle Potkanowa", "Chrząszcze Lasu Kapturskiego", "Owady Wincentowa", a także regionu tj. "Chrząszcze Puszczy Kozienickiej" i zbiór p. Jana Siekierskiego "Chrząszcze Południowego Mazowsza".
Kolekcja paleontologiczna obejmuje m.in. ciosy i zęby mamuta znalezione podczas budowy Fabryki Broni w Radomiu w roku 1923, możdżeń tura ze Szczerbówki k. Grójca.
zbiory amonitów w tym największego o średnicy 60 cm, a także kość udową gada triasowego (Notosaur) z Gór Świętokrzyskich.
Zbiory zielnikowe to oprócz wspomnianego "Zielnika Rodziny Dąbkowskich", zielniki zebrane w Laponii oraz dokumentujące florę torfowisk w Pakosławiu i Sieklukach. Obecnie zbiory przyrodnicze Muzeum im. Jacka Malczewskiego w Radomiu są największymi na Mazowszu, tak różnorodnymi, po zbiorach Muzeum i Instytutu Zoologii PAN w Warszawie.
Do szczególnie rzadkich okazów w niej należą jaja dropa, strepeta, czarnowrona, kraski, rybitwy wielkodziobej czy brodźca leśnego z terenu Puszczy Kozienickiej.