Отдел природы, берущий свое начало от Научно-образовательного музея, полностью сформировался в 1930-х гг. В 1996 г. после реконструкции открыта принципиально новая экспозиция отдела природы площадью 250 кв. м. При строительстве диорам был применен ценологический принцип показа природы края, выстроен меловой профиль с характеристикой уникальной меловой флорой. Дано полное представление о физико-географических условиях, фенологических изменениях в природе, геологии и палеонтологии, памятниках природы Вольского района. Отдельный зал посвящен экологическому отношению человека к природе.

На сегодняшний день отдел природы является одним из лучших отделов природы краеведческих музеев Поволжья. Экспозиция дает полное представление о физико-географических условиях Вольского района: рельефе, климате, почвах, водной системе. Отображено геологическое строение края, показаны коллекции палеонтологических находок. Красочные диорамы иллюстрируют изменения в природе по временам года.

Из особо уникальных экспонатов: дар Британского национального музея – коллекция бабочек, присланная в 1935 году; подарок Уральского геологического музея Екатеринбурга – подборка разноцветных уральских поделочных камней; письма и образцы кольских пород от академика А. Е. Ферсмана, знаменитый метеорит Саратов, упавший в 1918 году.

Ботанический сад при отделе природы существует с 1920 года, его площадь составляет 0,17 га.