Pardubické muzeum je mezi ostatními muzejními institucemi celého kraje výjimečné svými přírodovědnými sbírkami. Ačkoliv nejsou všechny předměty z obsáhlých depozitářů vystaveny pro veřejnost, spravuje muzeum velké množství významných předmětů z různých oblastí přírodních věd. Dnešní muzeum navazuje na první převážně amatérské sběratele přírodnin i na profesionální přírodovědce. Velká část sbírek pochází už z doby založení muzea, tedy z konce 19. století a posléze z dob první republiky, kdy muzeum získalo k dispozici prostory pardubického zámku, ve kterých sídlí dodnes. Mezi nejstarší sbírky muzea patří zoologické exponáty. Ty nejstarší z nich pochází z 80. let 19. století a do muzea se dostaly zásluhou pardubického lékaře a přírodovědce Dr. Františka Hromádky. K těmto předmětům pak přibývaly snahou muzejníků i místních přírodovědců další a podařilo se získat i velmi cenné exponáty, jako je například dvojice vyhynulých holubů stěhovavých. Muzeum se také může pyšnit třetí nejpočetnější sbírkou dravců na našem území. Další velmi obsáhlá a stará je botanická sbírka. Ta pochází z 20. let 20. století a jejím základem jsou herbáře místního učitele Emanuela Kalenského, které obsahují i některé velmi staré sběry z první poloviny 19. století. Ve sbírkách se nachází především flóra východních Čech, dále pak zbytku regionů ČR a vzácně i mimoevropské rostliny. Mezi sběratele, od kterých má muzeum své exponáty, patří i významní botanikové, kteří se proslavili i ve světovém měříku, jako byli například Emil Hadač nebo Franz Maximilian Opiz. Geologická sbírka obsahuje především horniny a nerosty z Pardubického kraje a okolí a demonstruje pestrost a proměnu severovýchodní části českého masivu. Unikátní je přitom samostatný soubor nerostů z ložiska Křižanovice v Železných horách. Nejmenší sbírka co do počtu exemplářů je paleontologická sbírka pocházející z mladších i starších čtvrtohor a mezi nejvzácnější exponáty zde patří mamutí kly a stoličky.

Východočeské muzeum Pardubice