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 годах, 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. Поиски питьевой воды приводят к открытию минеральных источников. Сарандинаки В. М. собрала и обработала более 20 тысяч гербарных листов дикорастущих растений окрестностей г.Феодосии.

В 1914 г. Вяземским 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.  Создание отдела природы в феодосийском музее было необходимо как хранилище знаний по природе юго-восточного Крыма. В 1947-1948 годах 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 годы). 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. 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.

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. Красочные диорамы переносят в естественный мир природы.