Sau 10 năm hoạt động, Bảo tàng được nhiều người biết đến thông qua các hoạt động tuyên truyền và giáo dục công đồng, hợp tác nghiên cứu khoa học, sưu tầm và chế tác mẫu vật... Đến nay, các bộ mẫu vật của Bảo tàng khá đa dạng và phong phú chủng loại. Năm 2020, Bảo tàng đã xây dựng và trình UBND tỉnh Thừa Thiên Huế phê duyệt Đề án “Thu thập mẫu vật cho Bảo tàng Thiên nhiên Duyên hải miền Trung đến năm 2030”, đây là bước ngoặc lớn đối với hoạt động thu thập mẫu vật nhằm khắc phục sự manh mún, nhỏ lẻ và tự phát, đồng thời chỉ ra định hướng phát triển lâu dài, có kế hoạch rõ ràng, khoa học, có phân kì giai đoạn thu thập mẫu vật nhằm đáp ứng những yêu cầu về đa dạng chủng loại đối với một bảo tàng thiên nhiên cấp khu vực đặt tại tỉnh Thừa Thiên Huế.
Đến nay, Bảo tàng đang lưu giữ và trưng bày giới thiệu đến du khách 6 bộ mẫu vật chính, gồm:
(1) Bộ mẫu địa chất - khoáng sản với 184 mẫu tiêu biểu của Việt Nam và tỉnh Thừa Thiên Huế;
(2) Bộ mẫu gỗ rừng tỉnh Thừa Thiên Huế có 28 loài, trong đó có 4 loài có tên trong Sách Đỏ Việt Nam và Nghị Định 06/2019/NĐ-CP về quản lý thực vật rừng, động vật rừng nguy cấp, quý, hiếm và thực thi công ước về buôn bán quốc tế các loài động vật, thực vật hoang dã nguy cấp;
(3) Bộ mẫu côn trùng với 170 mẫu, một số loài côn trùng đặc trưng được Bảo tàng giới thiệu qua mô hình “Cây côn trùng”, tái hiện và cách điệu sinh cảnh theo đặc tính sinh học của loài; (4) Bộ mẫu cá nước ngọt, nước lợ và nước mặn với hơn 1600 mẫu vật, trong đó có khoảng 1500 mẫu thuộc bộ cá sông Hương và đầm phá Tam Giang - Cầu Hai do Trung tâm Nghiên cứu Quản lý và Phát triển vùng Duyên hải thuộc trường Đại học Khoa học Huế trao tặng phục vụ làm mẫu nghiên cứu và hơn 100 mẫu thủy sinh biển thu thập tại khu vực Sơn Chà – Hải Vân;
(5) Bộ mẫu bướm nhân nuôi (khoảng 2000 mẫu) được tiếp nhận từ dự án KH&CN cấp tỉnh
(6) Bộ mẫu thú quý hiếm như Hổ (3 tiêu bản da và 1 tiêu bản xương), Sao la, đầu Bò tót, sừng Mang nhỏ, sừng Sao la, Chà vá chân nâu, Cầy vòi hương, Nai và Trăn gấm.... Ngoài ra, Bảo tàng còn thu thập một số mẫu đơn lẻ khác như 03 mẫu thực vật thân gỗ bị silic hóa niên đại 199 triệu năm tuổi, mẫu cổ sinh chân đầu, hai mảnh vỏ, …