Создание Феодосийского музея древностей способствовало изучению природы края. Исследователи древностей косвенно выходили на проблемы геологии, климата, гидрологии, растительного и животного мира. Ретовским О. Ф., заведующим музеем в 1878-1900 гг., была собрана палеонтологическая коллекция. В 1878 г. в г. Феодосии была создана гидрометеостанция. Зибольд Ф. И., занимаясь первыми в Крыму лесопосадками на г. Тепе-Оба, подходит к проблемам конденсации водяных паров из атмосферного воздуха.
Сарандинаки В. М. собрала и обработала более 20 тысяч гербарных листов дикорастущих растений окрестностей г. Феодосии. В 1914 г. Вяземким Т. И. основана биологическая станция у подножья хребта Карагач, положившая начало изучению горного массива Карадаг и прилегающей акватории Черного моря. В 1927 г. во время крымского землетрясения в г.Феодосии создается первая в Крыму сейсмостанция. Поиски питьевой воды приводят к открытию минеральных источников.
Создание отдела природы в феодосийском музее было необходимо как хранилище знаний по природе юго-восточного Крыма. В 1947-1948 гг. был открыт отдел природы под руководством А. К. Пантелеева. В 1996 г. в связи с переходом музея в другое здание была открыта новая экспозиция отдела природы. Работу над экспозицией отдела природы начинали художники Ленинградского комбината живописно-оформительского искусства: авторы проекта супруги А. Кукуев и И. Кукуева, В. Чабанов. Заказ на исполнение диорам был размещен в Ленинградском комбинате диорамно-макетных работ. Выполнили диорамы художники В. Метик, Г. Орлов, А. Дорогин, А. Бабошин, Н. Белоногова. Красочный пол – карта Северного Причерноморья в технике цветных цементов создана Е. Катюшиным (директор музея 1975- 2003 гг.). Научная концепция экспозиции зала разработана Е. Скоробогатой, старшим научным сотрудником музея.
Раздел геологии воссоздает историю юго-восточного Крыма середины юрского периода. В геологическом строении края принимают участие осадочные горные породы: известняки, мергели, песчаники, конгломераты, особенно много глин. Гончарные глины г. Тепе-Оба, Арматлукской долины славятся своей пластичностью. Редкие коричневые глины – сырье для красок «Феодосийская земля», «Феодосийская коричневая». Природными красками пользовались художники К. Ф. Богаевский, Н. С. Барсамов и др. В экспозиции представлены окаменелости: аммониты, белемниты, кораллы, губки и др.
Наиболее яркие экспонаты в отделе связаны с уникальным природным образованием – горным массивом Карадаг. Карадаг – горная группа, включающая несколько хребтов и отдельных вершин. Современные исследователи считают, что в среднеюрскую эпоху более 150 млн. лет тому назад образовался разлом осадочных пород, по нему из земных глубин устремилась расплавленная магма, излившаяся огненными потоками лав. Неоднократные подводные извержения образовали базальты, дациты, кератофиры, андезиты, липариты, туфы. В течение последующих миллионов лет вулканические породы подвергались сбросам, разломам, что нашло отражение в современном рельефе.
Карадаг называют минералогической жемчужиной, где известно около 100 минералов, в основном группы кварца – прозрачный горный хрусталь, фиолетовый аметист, желтый цитрин, серый халцедон, синеватый сапфирин, полосчатые агаты и ониксы. По словам А. Е. Ферсмана все оттенки красного сливаются в полную чудес сказку в карадагских сердоликах. Яшмы Карадага, халцедонолиты, похожи на окаменевшую радугу. Голубовато-зеленый камень Святой горы — трас, черноморит. В вулканических породах широко распространены редкие в природе цеолиты, образующие звездчатые скопления кристаллов: игольчато белые натролиты, прозрачно белые анальцимы, красные гейландиты. В 1979 г. был создан Карадагский природный заповедник НАН Украины.
Орографическая схема, фотографии ландшафтов знакомят с рельефом края. Причудливые натечные образования – сталактиты и сталагмиты из пещер г.Агармыш дают представление об интересном природном явлении карсте.
Климатическая карта, графики многолетних наблюдений феодосийской метеостанции характеризуют климат г.Феодосии как засушливый с умеренно мягкой зимой и жарким летом, в нем удачно сочетаются влияние моря, степи и лесостепного предгорья. Солнце, воздух, море – основные лечебные факторы г.Феодосии.
Большой интерес представляют материалы о конденсаторе Ф. И. Зибольда, первом в мире опытном образце по добыванию влаги из атмосферного воздуха. В 1993-1994 гг. была проведена совместная украинско-французская экспедиция для проверки достоверности данных Ф. И. Зибольда об использовании нетрадиционных источников водоснабжения населением города в средневековье.
Геоботаническая карта, гербарий знакомит с растительными сообществами края. Юго-восточный Крым – стык субсредиземноморских лесов и простирающихся к югу и востоку крымских степей. На сравнительно небольшой территории сосредоточена почти половина высших сосудистых растений, произрастающих в Крыму – свыше 1300 из 2775. Этому способствует наличие разнообразных биотопов – от пляжей морских побережий до горных вершин Карадага и Эчкидага, расположенных на высоте более 500 метров. На каменистых и луговых степях феодосийского низкогорья произрастают типчаки, житняки, ковыли, дубровники, молочаи, астрагалы, ятрышники, асфоделина крымская. Высажена крымская сосна, груша лохолистная, фисташка настоящая, держи-дерево. Только в Феодосии на склонах мыса Ильи находится единственная в мире популяция клоповника Турчанинова, занесенная в Красный список МСОП.
Флора Карадага имеет больше нигде в Крыму не повторяющуюся особенность: совмещение на малой площади степной, лесостепной и лесной флор – высших сосудистых растений 1775 видов, 43% всей крымской флоры. Основные виды юго-восточного Крыма – средиземноморские и евроазиатские. В районе Феодосии 58 эндемиков, из них на Карадаге 53 вида. Только здесь произрастают боярышник Поярковой, пупавка Траншеля, эремурус Юнге. Можжевельник высокий, подснежник складчатый – реликтовые виды, сохранившиеся от прежних геологических эпох. В Красную книгу Украины внесено 76 видов Феодосийского района, из них 66 Карадагских. В экспозиции представлены цветные фотографии краснокнижных растений, выполненные научными сотрудниками Карадагского заповедника Мироновой Л. П., Знаменской Л. В. Такие как: безвременник анкарский, мачок желтый, тюльпан двуцветковый коктебельский, тюльпан Шренка и др.
Фауна юго-восточного Крыма совмещает виды степной, лесной и южнобережной. Эндемики свидетельствуют о давней территориальной изоляции полуострова. В Крыму обитают 36 видов млекопитающих, более 300 видов птиц, 11 видов пресмыкающихся. 4 вида земноводных, более 2300 беспозвоночных. Наиболее многочисленна и разнообразна энтомофауна. Реликтовый эндемик полуострова фиолетовая жужелица. Обыкновенные певчие цикады создают неповторимый звуковой фон в жаркие летние месяцы. Единственная ядовитая змея Крыма гадюка степная. Наиболее редкая змея – полоз леопардовый, обитает только в ареале средиземноморья, внесен в Красные книги Украины и МСОП.
Птицы наиболее многочисленная и разнообразная часть фауны Феодосийского района. На береговых обрывах гнездятся блестящие черные бакланы хохлатые, на скалах селится чайка-хохотунья. Для водоплавающих птиц большую роль играет незамерзающая акватория юго-восточного Крыма. В Феодосийском заливе зимуют гагары, лысухи, нырки, лебеди шипуны и кликуны. В середине XX века на Карадаге еще гнездился сип белоголовый, одна из самых крупных птиц Европы. Олегом Спиваковым изготовлены биогруппы птиц окрестностей г. Феодосии, представленные в экспозиции: щурка золотистая, пеночка, овсянка, фазан, кеклик и др. В Красную книгу Украины и Красную книгу Черного моря внесено 17 видов птиц региона: журавль серый, цапля желтая, ходулочник, кулик сорока и т.д. В Красную книгу Украины внесено 47 видов птиц, из них 38 – Карадагский заповедник.
В летние сумерки над опустевшими улицами г.Феодосии пролетают летучие мыши. Всего в крае 12 видов рукокрылых, подлежащих охране.
Алтайская белка-телеутка, акклиматизированная в Крыму в 1940 г., обычна не только в лесу, но и в городских парках. Самый крупный хищник края лисица. На Карадаге обычна куница каменная или белодушка, косуля европейская. Благородный олень очень редко заходит на Карадаг. В последние десятилетия возросла на Карадаге численность дикого кабана, акклиматизированного в Крыму в 1957 г.
Красочные диорамы переносят в естественный мир природы. 1. Равнина Феодосийского залива. 2. Предгорье юго-восточного Крыма. г. Тепе-Оба. 3. Карадаг. Дубовый лес на г. Святой. 4. Карадаг. Хребет Хоба-Тепе. 5. Бухты Карадага. Скала Иван Разбойник.