I de første årene ble det ikke gjort noe forsøk på spesialisering, og en fortegnelse fra 1880 viser en liste over 581 preparater av pattedyr, fugl, krypdyr og amfibier. I tillegg kommer 211 fisker, omlag 500 insekter, og noen lavere sjødyr.

I løpet av de første 30-40 år ble det skapt en forholdsvis stor og rikholdig publikumsutstilling som ga et godt tverrsnitt av den lokale fauna. Også dyr og fugler fra mer eksotiske himmelstrøk var godt representert. Disse fikk en fra sjøfolk og andre nordmenn i utlandet. Museet hadde sendt henvendelser til disse med anvisning på innsamlings- og oppbevaringsteknikk.

Publikumsutstillingene ble omarbeidet i 1918. Da museumsbygningen ble utvidet i 1930, ble pattedyrutstillingen fullført samme sommer, fugleutstillingene mot slutten av året, og fiske- og hvalsamlingen i kjelleren ble ferdig i 1934. Samme år ble fugleutstillingen utvidet med 6 nye montrer.

I årene 1953-55 ble  pattedyrutstillingen nok en gang forandret. Antall utstilte dyr ble sterkt redusert, og med mindre endringer senere, ble resultatet stort sett slik det presenteres i dag.

Fugleutstillingene ble ombygget i 1980-årene. Fra å være i det alt vesentlige systematiske oppstillinger, er de i dag tematiske. Også her har antallet utstilte objekter blitt sterkt redusert.

Utstillingen i kjelleren av hvalskjelett og fisker ble i det alt vesentlige fjernet, og en ny utstilling med hovedtema "Havet gir" ble ferdig i 1987.

Oppbyggingen av avdelingens vitenskapelige samlinger har vært preget av konservatorenes spesielle interessefelt. Den første konservatoren ved avdelingen var Tor Helliesen. Han kom til museet i 1882, og var der til sin død sommeren 1914. Han var særlig interessert i biller, og utførte et omfattende feltarbeid i Rogaland. Dette, sammen med hans private samling fra tiden før han kom til museet, danner grunnstammen i museets entomologiske samling.

Da  Hans Tho.L.Schaanning ble ansatt som konservator sommeren 1918, ble dette starten på avdelingens ornitologiske spesialisering. Schaanning begynte umiddelbart å øke samlingene, først og fremst av fugl. Det ble en aktiv periode med innsamling, kjøp, salg og bytte.  Holger Holgersen overtok som avdelingsbestyrer etter Schaanning. Den ornitologiske aktiviteten fortsatte, men han fikk også anledning til en viss innsamling av insekter, særlig maur og sikader. Da Holgersen gikk av med pensjon i 1981, ble avdelingens virksomhet igjen konsentrert om ornitologien. I 1976 fikk avdelingen en ny konservatorstilling, og også denne skulle besettes av en ornitolog, noe som var helt i tråd med avdelingens utvikling og arbeidsområder.

Naturvern kom ganske tidlig inn som en del av avdelingens interesseområder.  Museets direksjon vedtok i 1921 at museet skulle ordne alle formaliteter og dekke eventuelle utgifter for grunneiere som ønsket å fredlyse sine eiendommer mot eggplyndring og uønsket jakt. Mot slutten av 1927 hadde 872 bruk benyttet seg av denne muligheten. Museets innsats på dette området ble avsluttet da Rogaland naturfredningsforening ble stiftet i januar 1928.

Schaanning initiativet til å starte en landsomfattende ornitologisk forening. Den konstituerende generalforsamlingen ble holdt på museet 31.mars 1922. Imidlertid, i 1921 utkom de første hefter av Norsk Ornithologisk Tidsskrift, som var medlemsbladet til denne foreningen. De økonomiske vanskelighetene for foreningen ble etter hvert store, og da tidsskriften ble avsluttet i 1935, sovnet foreningen stille inn.

Avdelingen var igjen meget aktiv da den nåværende Norsk ornitologisk forening ble stiftet i 1957. Ved siden av at kasserervervet i foreningen i de første 20 årene ble lokalisert til museet, med et kort avbrekk, hadde også avdelingen redaktøransvaret for tidsskriftet Sterna. Sterna var i perioden 1951-57 avdelingens eget tidsskrift, men fra 1958 ble det et fellesorgan for avdelingen og Norsk ornitologisk forening.

Da Schaanning begynte på Stavanger Museum i 1918, fortsatte han med ringmerking av fugler, en aktivitet han hadde startet opp med i 1914. Dette har siden dengang vært et av avdelingens viktigste arbeidsområder, og i dag er museet den eneste ringmerkingssentralen i landet.