Ģeoloģiskajā krājumā ir vairāk nekā 43 000 priekšmetu. Minerāli, ieži un fosilijas ir vāktas kopš muzeja pirmsākumiem un šo kolekciju veidošana turpinās arī pašlaik. Plaša un daudzveidīga ir Latvijas nogulumiežu kolekcija. Neatkārtojamas ir Aizkaukāza un Kolas pussalas iežu un minerālu kolekcijas, kuru ievākšanā piedalījušies ģeoloģijas pulciņa dalībnieki. Arvien tiek papildināta Baltijas dzintara kolekcija.
Atšķirībā no citām krājuma kolekcijām, ģeoloģisko krājumu iespējams vākt visu cauru gadu.
Sākotnēji ekspedīcijas laikā tiek apsekots ģeoloģiskais objekts. Vēlāk tas tiek aprakstīts, zīmēts vai fotofiksēts. Šīs apsekošanas laikā tiek iegūta būtiska informācija, kas noder vēlāk, piemēram, lai noskaidrotu, kā ir plūdušas straumes, kāds bijis ledāju kustības virziens u.c.
Attēlā - karjeras apsekošana.Sietiņieža atseguma zīmēšana.Pēc ģeoloģiskā objekta apsekošanas, sākas darbs materiālu (ieži, minerāli, fosilijas) iegūšanā. Attēlā - muzeja mineraloģe S. Lielbārde meklē fosilijas Krievijā. Situācijās, kad tas nepieciešams, no atseguma fosiliju izņem kopā ar iezi (monolītu iegūšana).Iezis ar fosilijām.Lai veidotu pilnīgu ģeoloģiskā objekta aprakstu, pēc tā zīmēšanas vai fotofiksēšanas, tiek iegūti iežu un minerālu paraugi no dažādiem slāņiem.
Attēlā - iežu iegūšanas process Dārzciema karjerā. Ģeologi materiālus ievāc ne tikai Latvijā, bet arī dodas ekspedīcijās uz citām valstīm. Šādu ekspedīciju laikā tiek iegūti unikāli un Latvijā neesoši, kā arī nozīmīgi salīdzinošā materiāla priekšmeti.
Attēlā - šungītu ievākšana Krievijā. Pēc paraugu ievākšanas tie tiek noteikti, signēti (numurēti), aprakstīti un pievienoti krājuma kolekcijām.
Attēlā - dolomītu kolekcija muzejā.1968. gadā Dabas muzeja ģeoloģiskais krājums tika papildināts ar Vissavienības Jūras ģeoloģijas un ģeofizikas institūta un LPSR Ģeoloģijas pārvaldes reģionālā ģeoloģijas muzeja kolekciju materiāliem. Šis materiāls ir nozīmīgs, jo satur paraugus no šobrīd neesošām un grūti pieejamām vietām. Šis materiāls joprojām tiek šķirots, pētīts un kārtots.Muzejā glabājas vērtīga dzintara kolekcija no daudzām pasaules valstīm.
