Traditionnellement, la partie dominante des expositions et des collections du musée, ainsi que ses activités scientifiques ont à voir avec le monde animal. Une attention particulière est accordée à la biodiversité de la Bulgarie et des pays voisins et à la description de nouveaux taxons provenant de pays du monde entier. Au cours de la dernière décennie, une partie considérable des efforts des experts du musée s’est concentrée sur la recherche des habitants des territoires protégés et sur les espèces rares et menacées.

Les expositions du musée occupent 15 salles sur 4 étages. On y expose le perroquet de Caroline, qui s’est éteint dans le monde entier, le phoque moine, le gypaète barbu, l’outarde canepetière, la grue grise et la grue cendrée, la vipère des steppes, l’esturgeon allemand, tous éteints en Bulgarie. Ces dernières années, plusieurs dioramas ont été ajoutés aux expositions pour illustrer la nature vivante de l’Arctique (ours blancs et phoques), de l’Afrique (panthère noire), de l’Asie (tigre) et de la forêt tropicale sud-américaine (jaguar, perroquets ara, singes tamarins). D’autres grands mammifères ont été récemment exposés : le rhinocéros blanc, l’ours de l’Himalaya, les guépards, les buffles.

Les visiteurs sont intrigués par l’un des derniers aurochs de race pure trouvé dans la nature, l’ours brun proclamé comme le plus grand d’Europe, le rare petit panda, les magnifiques oiseaux de paradis, les toucans, le condor californien éteint dans la nature sauvage, les différents types de faisans aux plumes splendides, la tortue géante d’Afrique, le poisson cavernicole aveugle d’Amérique, le poisson Periophtalmus, qui peut aussi se déplacer sur la terre ferme.

Dans la branche d’Assenovgrad, les visiteurs peuvent voir les moulages d’un squelette de Deinotherium, l’un des plus grands mammifères terrestres de tous les temps, long de 6,80 m et haut de 4,50 m. Il y a aussi des squelettes de tigre à dents de sabre, d’hipparions, d’antilopes, de mastodontes, de singes.