La collezione ornitologica del Museo consiste in oltre 6600 esemplari naturalizzati e pelli, ai quali si aggiungono i preparati osteologici, i preparati anatomici e la collezione di nidi.
Il nucleo della collezione storica è stato principalmente formato da Paolo Savi, autore dell’Ornitologia Toscana, dell’Ornitologia Italiana e direttore del Museo Pisano dal 1823 al 1871, anno della sua morte. Il Savi, oltre ad essere stato un grande ornitologo, è stato anche un eccellente tassidermista, come è possibile osservare dai diorami realizzati di suo pugno e rappresentanti gruppi familiari di uccelli locali insieme ai loro nidi, certamente una delle eccellenze della collezione ornitologica del Museo. Tra gli esemplari raccolti nell’area pisana si segnala la presenza di un chiurlottello, ormai praticamente estinto.
Durante la direzione del Museo, Paolo Savi effettuò anche molti scambi con i principali musei europei e acquisì numerosi esemplari da spedizioni naturalistiche. Il suo grande lavoro, portato avanti dai suoi successori Sebastiano Richiardi ed Eugenio Ficalbi, ha lasciato in eredità al Museo non solo un’importante collezione rappresentativa dell’avifauna italiana, ma anche una collezione di uccelli esotici provenienti da tutto il mondo, tra i quali sono degne di nota alcune specie estinte come l’alca impenne, la colomba migratrice, lo storno di Réunion ed altre criticamente minacciate come il Kakapo o l’ara glauca.
Nella collezione delle pelli, si segnalano vari esemplari della fauna del Congo raccolti tra il 1909 e il 1910 e successivamente donati al Museo.
Tra le collezioni moderne, il Museo ha recentemente acquisito la collezione Barbero, consistente in circa 200 esemplari naturalizzati tipici della fauna italiana.
La collezione dei nidi comprende 248 nidi e 555 uova, la maggior parte dei quali appartiene alla collezione storica formata da Paolo Savi.