El Departamento de Ciencias e Investigación se crea con el origen del Museo en 1878, con un aire naturalista. Ya en 1905, se congregan diversos especialistas, que le otorga el caracter científico, permitiendo generar estudios y realizar descubrimientos en en las ciencias naturales anivel nacional e internacional, plasmados en el Boletín del Museo de Valparaíso (1879-1910)
Actualmente las colecciones biológicas ascienden a un inventario (Actualizado desde el 2015 a la fecha) de 39.453 piezas reunidas en 21 colecciones, correspondientes de un total de 60.000. Información disponible para consulta en el museo.
Este proceso se ha desarrollado a partir de una planilla Excel, donde se definieron las visualizaciones necesarias, como aplicación de filtros, para ajustar la búsqueda requerida en una base de datos extensa; de las colecciones del museo destacan Moluscos chilenos, Herbarios; Entomológica, Ornitológica; Mamíferos entre otras, también destacan colecciones donadas por importantes científicos como son los casos de la donación astacológica del Dr. Erich Rudolph o la contribución del Dr. Brian Dyer que rescata la biodiversidad marina del archipiélago de Juan Fernández e Islas Desventuradas.
Se incluye la colección Entomológica Beaucournu, correspondientes a una selección de Siphonapteras (Pulgas), registros que muestran una riqueza de 11 especies con 38 individuos, a partir de 1977, cuyo colector Dr. Zunino realiza colectas de pulgas en distintos roedores silvestres, en especial en la región de Valparaíso.
Otra colección destacada corresponde al botánico Carl Skottsberg, correspondientes a ejemplares provenientes de la expedición de 1916 al 1917 que en su mayoría provienen del archipiélago de Isla de Juan Fernandez. De los registros destaca una Urtica fernandeziana colectadas en la isla Masafuera (isla Alejandro Selkirk), especie endémica que hoy 2018 se encuentra en peligro crítico.
La colección de fósiles tiene muestras de gran parte del período fosilífero del país y se ha formado gracias a importantes donaciones efectuadas por el Dr. Paul Wunch, Prof. Juan Tavera, Prof. Renato Reyes y por la Universidad de Valparaíso.
Entre los minerales resaltan las muestras donadas en 1915 por Oscar Poppe, constituida por minerales y piedras semipreciosas de Chile, que constituyen una de las colecciones más importantes de la zona.
