Luomus vastaa lakisääteisesti luonnontieteellisten kansalliskokoelmien säilyttämisestä, kartuttamisesta ja näytteillepanosta, sekä näihin liittyvästä tutkimuksesta ja opetuksesta. Kokoelmat käsittävät noin 13 miljoonaa eläin-, kasvi-, sieni-, kivi- ja fossiilinäytettä.
Kokoelmia käytetään varsinkin taksonomiseen, systemaattiseen ja eliömaantieteelliseen tutkimukseen, ja ne luovat pohjan tunnistuskirjallisuuden laatimiseksi. Kokoelmia käytetään myös lajiston seurantatutkimuksiin, mahdollistaen biodiversiteettitutkimuksen ajassa taaksepäin. Tieteelliset kokoelmat eivät ole avoinna yleisölle.
Mittava eläintieteellinen kokoelma käsittää lähes kymmenen miljoonaa näytettä ja noin 35 000 arvokasta tyyppiyksilöä.
Kasvi- ja sienitieteellisissä kokoelmissa on noin 3,5 miljoonaa kasvi- ja sieninäytettä ja yli 50 000 arvokasta tyyppinäytettä. Kokoelmien vuotuinen kasvu on keskimäärin 20 000 näytettä. Kasvu muodostuu lahjoituksista, tutkimusaineistoista ja muista kasvimuseoista vaihdetusta näytteistä.
Kasvitieteellisen puutarhan kahdessa erillisessä puutarhassa (Kaisaniemi ja Kumpula) on kasveja lähes kaikkialta maailmasta. Yhteensä kokoelmissa on 7050 eri alkuperää olevaa kasvia 4230 taksonista (lajista, rodusta tai viljelylajikkeesta) puita, pensaita ja monivuotisia perennoja sekä kaksi- ja joitakin yksivuotisia kasveja. Kasvitieteellinen puutarha toimii tutkimusta, opetusta ja opiskelua sekä kansalaisten ympäristökasvatuksen tarpeita varten. Lisäksi harjoitetaan kansainvälistä siemenvaihtoa tutkimuksen tarpeisiin sekä koordinoidaan kansallisten kasvitieteellisten puutarhojen toimintaa. Kaisaniemessä toimii Suomen luonnonvaraisten uhanalaisten kasvien siementen siemenpankki.
Puutarhan toiminnan perusta on tieteellinen kasvikokoelma. Kokoelman tieteellisyys tarkoittaa, että kasvit ovat alkuperältään tunnettuja ja niin dokumentoituja, että ne ovat mahdollisimman arvokkaita tutkimukselle, opetukselle ja ympäristökasvatukselle.
Geologisissa kansalliskokoelmissa on noin 50 000 mineraali- ja kivinäytettä, noin 700 meteoriittia ja noin 44 000 fossiili-, luu- ja maaperänäytettä. Jo 1700-luvulta alkaen kartutetun kokoelman erikoisuuksia ovat muun muassa suomalaiset jalokivet ja meteoriitit, Euroopan vanhimmat kivilajit, Etelämannerkokoelma, mammuttikokoelma ja Ahvenanmaan fossiilit.
Luomuksen genominäytekokoelmista lainataan näytteitä yliopistotason tutkimusta varten. Genominäytteet sisältävät DNA-eristyksiä sekä eläinten, kasvien ja sienten kudosnäytteitä.