Il museo si articola nelle sezioni geologica, zoologica, anatomica. Il nucleo originario si è costituito fra la fine del Seicento e l'inizio del Settecento, nei primi anni di vita dell'Accademia dei Fisiocritici (fisiocritico significa studioso della natura), poi arricchitosi nel tempo attraverso donazioni. Le collezioni sono in gran parte esposte nelle gallerie del chiostro di un ex monastero dei Camaldolesi risalente al XIII secolo che si sviluppa su due piani attorno a una corte con pozzo del Cinquecento. L'allestimento in antiche vetrine mantiene intatte le caratteristiche espositive ottocentesche. Per il prevalente carattere regionale delle collezioni, il museo si configura come una finestra da cui guardare la storia naturale della Toscana meridionale negli ultimi tre secoli. È tutt'oggi attivo un laboratorio di tassidermia per la preparazione di nuovi esemplari zoologici, nonché un laboratorio per la manutenzione e il restauro di esemplari di reperti fossili e mineralogici