นอกจากส่วนนิทรรศการแล้ว พิพิธภัณฑสถานธรรมชาติวิทยา ๕๐ พรรษา สยามบรมราชกุมารี ยังมีส่วนของคลังตัวอย่าง ซึ่งเก็บรักษาตัวอย่างสิ่งมีชีวิต และซากดึกดำบรรพ์ ส่วนใหญ่ได้มาจากกิจกรรมการเรียนการสอน และงานวิจัย ตัวอย่างเหล่านี้เป็นประโยชน์ต่องานวิจัยในสาขาต่างๆที่เกี่ยวของกับธรรมชาติวิทยา ไม่ว่าจะเป็นในด้านชีววิทยา นิเวศวิทยา และโดยเฉพาะอนุกรมวิธาน ตัวอย่างที่ได้มาจะถูกจัดเก็บอย่างเป็นระบบตามหลักสากล โดยมีผู้เชี่ยวชาญของสิ่งมีชีวิตในแต่ละกลุ่มเป็นผู้ดูแล คลังตัวอย่างสามารถแบ่งออกได้เป็นคลังย่อยๆตามประเภทของสิ่งมีชีวิต สามารถจัดกลุ่มได้เป็นกลุ่มหลัก  5 กลุ่ม ได้แก่ คลังตัวอย่างแพลงก์ตอน คลังตัวอย่างสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง (ยกเว้นแมลง) คลังตัวอย่างแมลง คลังตัวอย่างสัตว์มีกระดูกสันหลัง และคลังตัวอย่างซากดึกดำบรรพ์