พิพิธภัณฑ์มีของจัดแสดงและตัวอย่างทั้งหมดมากกว่า สี่ล้านชิ้น ซึ่งเป็นตัวอย่างที่เกี่ยวข้องกับ มานุษยวิทยา, โบราณคดี, ดาราศาสตร์, พฤกษศาสตร์, ธรณีวิทยา, บรรพชีวินวิทยา, สัตววิทยา, วิทยาแร่ (mineralogy) และ ปักษีวิทยา (ornithology)ในบรรดาของทั้งหมดเก้าล้านกว่าชิ้นนั้น มีชิ้นที่มีความสำคัญดังต่อไปนี้

• ฟอสซิลของปลาจากยุคดีโวเนียนตอนปลาย (Late Devonian) ที่พบในชั้นหินดินดานเขตคลีฟแลนด์ จำนวนมาก รวมทั้งโครงกระดูก ปลาดังเคิลออสเตียส ซึ่งถูกตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่ เดวิด ดังเคิล (David Dunkle) ภัณฑารักษ์แห่งพิพิธภัณฑ์ธรรมชาติวิทยาคลีฟแลนด์
• ลิงและลิงไร้หางสต๊าฟและโครงกระดูกจำนวนเก้าร้อยกว่าตัว และ โครงกระดูกมนุษย์ สามพันหนึ่งร้อย โครงจากของสะสมของฮามาน - ท็อด
• โครงกระดูกของ ไทแรนโนซอรัส เร็กซ์ ชนิด Nanotyrannus lancensis
• ตัวอย่างต้นแบบแรกของ Haplocanthosaurus
• โครงกระดูกที่ประกอบอย่างสมบรูณ์ของ Coelophysis bauri
• ร่างสต็ฟของสุนัขลากเลือน บัลโต (Balto) ที่ปรากฏในสื่อวัฒนธรรมร่วมสมัยต่างๆ อย่างเช่น ภาพยนตร์เรื่อง บัลโต ยอดสุนัขนักสู้ [5]
• การจัดแสดงหินแร่และอัญมณีมีค่าชนิดต่างๆ จากของสะสมของ เจดทรา เวด (Jeptha Wade) รวมทั้งหินจากดวงจันทร์ น้ำหนัก 253 กรัม ที่นำมาบนโลกจากภาระกิจอะพอลโล 12
• แบบจำลองโครงกระดูกของ ไทรเซอราทอปส์ และ ไทรันนอซอรัส ในช่วงวัยรุ่น ที่รู้จักกันในชื่อ เจน (Jane) [6]
• ชิ้นส่วนของช้างแมมมอธ
• แบบหล่อของ ลูซี่
• โครงกระดูกของ ทีเร็กซ์ (T-rex) [7]

ของสะสมของฮามาน - ท็อด

ของสะสมของฮามาน - ท็อด (Hamann-Todd Collection) เป็นของสะสมของ คาร์ล ออสกัส ฮามาน (Carl August Hamann) และต่อมาอยู่ในครอบครองของ ที. วินเกตส์ ท็อด (T. Wingate Todd) หลังจากที่ ฮามาน เป็นคณบดีของคณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยเวสเทิร์นรีเสิร์ฟ ท็อด มีส่วนอย่างมากในการประกอบโครงกระดูกจำนวนกว่าสามพันโครง ก่อนที่เขาจะเสียชีวิตในปี ค.ศ. 1938

ของสะสมของฮามาน - ท็อด ประกอบไปด้วยลิงและลิงไร้หางสต๊าฟและโครงกระดูกจำนวนเก้าร้อยกว่าโครง และ โครงกระดูกมนุษย์ สามพันหนึ่งร้อยโครงซึ่งเริ่มประกอบในปี ค.ศ. 1893 ของสะสมชุดนี้เดิมที่เก็บอยู่ใน คณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยเวสเทิร์นรีเสิร์ฟ ซึ่งบริเวณชั้นล่างของอาคารใหม่ของได้ถูกจัดเป็นพิพิธภัณฑ์ด้านมานุษยวิทยาและกายวิภาคเปรียบเทียบฮามาน (Hamann Museum of Comparative Anthropology and Anatomy) ต่อมาเนื่องจัดภาระค่าใช้จ่ายในการเก็บรักษาโครงกระดูกเหล่านี้สูงเกินไปของสะสมจึงถูกโอนให้แก่ทางพิพิธภัณฑ์ธรรมชาติวิทยาคลีฟแลนด์