A jelenleg 16 000 tételt számláló közgyűjtemény ásványokat, kőzeteket és ősmaradványokat tartalmaz döntő részben Nógrád Megye, valamint Észak-Magyarország területéről.

A gyűjtemény 1956. 1. leltári számot viselő alapító darabja, Chlamys latissima, miocén, bádeni korú kagyló teknője Mátraverebélyről. A gyűjtemény indulása, a hozá kapcsolódó kutatómunka első lépései a balassagyarmati Palóc Múzeumban történtek. A gyűjtemény első kurátora báró Lipthay Béla volt, aki autodidakta, széleskörű műveltséggel rendelkező természettudósként   többoldalú kutató- és gyűjtőmunkát végzett. Fő kutatási területe az entomológia volt. 60 000,- darabos lepkegyűjteménye a Magyar Természettudományi Múzeumba került. A lepkegyűjtés mellett elsajátította az őslénytani gyűjtőmunka alapjait is és 1200 darab ősnövényi lenyomatot gyűjtött elsősorban a nógrádszakáli Páris-patak-völgyéből és az ipolytarnóci Botos-árokból.

A Lipthay Béla által gyűjtött leletek tudományos feldolgozását Rásky Klára, Andreánszky Gábor, Szakály Márta és Hably Lilla végezték. Ezeket a fosszilis flórákat a legutóbbi időkig idézi a nemzetközi tudományos szakirodalom.

Lipthay Béla halála után egy évtizeden keresztül a gyűjteménynek nem volt gazdája.

1984-ben Dr. Hír János szállította át Szécsényből Pásztóra, hogy az akkor még szervezés alatt álló Pásztói Múzeumban folyó munka alapját képezze. Innentől kezdve főleg negyedidőszaki gerinces- és puhatestű anyagokkal gyarapodott. A kilencvenes években elkezdődő középső miocén szárazulati üledékek gerinces őslénytani vizsgálatára irányuló kutatási program révén gazdag kisgerinces anyag került a gyűjteménybe.

A kilencvenes és a kétezres években ajándékozás és vásárlás útján is jelentős értékekkel, ásványokkal, ősmaradványokkal és jelenkori tengeri puhatestűvázakkal gazdagodott a gyűjtemény. Legfontosabb adományozók voltak: Szabó Sándor Istvánné, Hegedűs Péter, Rakottyai Gyula, Fekete József, Horváth Bence.

2005 és 2013 között az intézményben dolgozó Pászti Andrea természettudományos muzeológus projektmenedzserként végzett munkájának köszönhető, hogy a Természettudományi Gyűjtemény 2011-ben 21. századi körülmények közé került a TIOP 1.2.2. pályázat keretében a kolostorépület pincéjében kialakított tanulmányi raktárban.