Традиции коллекционирования минералов в Н.Тагиле были заложены горнозаводчиками Демидовыми, начиная с XVIII века. В 1841 году в заводском поселке был открыт "Музеум естественной истории и древностей", в штате которого числился и минералог. В конце ХIХ века при геологическом изучении района сборы горных пород и руд поступали в горнозаводской музеум.
В 1924 году музей возобновил свою работу как краеведческий. Наряду с формированием новых естественноисторических коллекций из заводоуправления поступили уникальные малахитовые глыбы весом 300 и 500 кг.
Большие геологические коллекции поступили в музей в 1927 году после закрытия Окружной выставки в честь 10-летия Октябрьской революции и в 1937 году - с выставки для участников Уральской экскурсии ХVII сессии Международного геологического конгресса. С 1950-х годов работа по комплектованию ведется регулярно и целенаправленно: во время экспедиций и за счет дарственных поступлений и приобретений.
Музей постоянно сотрудничает с коллекционерами города. В 1950-60-е гг. активное участие в комплектовании принял П.Э. Рикерт (1907-1971 гг.). В 1970-90-е гг. в дар музею поступили богатые личные коллекции геологов - С. Шибрик, супругов Н.З. и М.В. Хара, А.А. Канонерова, А.А. Пестерова. В настоящее время активно помогают в комплектовании коллекции Н.И. Козин, В.В. Васильев.
Геологическая коллекция Нижнетагильского музея-заповедника насчитывает около 7000 единиц хранения. В ее состав входят коллекции горных пород, руд и минералов всех наиболее крупных месторождений района: железорудных, медных, золота, платины, драгоценных и поделочных камней. Всего на территории в административных границах Пригородного района Свердловской области выявлено 580 месторождений и рудопроявлений 22 видов полезных ископаемых. Список минералов района включает 498 названий, из них 293 минеральных вида, 33 разновидности, 12 минералов - впервые в мире открыты в окрестностях Нижнего Тагила.
В коллекции музея-заповедника представлены образцы следующих месторождений
района Нижнего Тагила:
- железорудные - Всокогорское, Лебяжинское, Евстюнинское, Гороблагодатское, Качканарское, Алапаевское;
- колчеданные - рудник им.III Интернационала, Карпушиха, Левиха;
Меднорудянское местрождение;
- Мурзинская самоцветная полоса;
- Нижнетагильский дунитовый массив, демантоиды;
- Горбуновское месторождение празема;
- Быньговское золоторудное месторождение;
- месторождения мрамора, доломита, серпентенита и др.поделочных камней района.
А также образцы месторождений других районов:
- горный хрусталь - Приполярный Урал;
- Березовское золоторудное месторождение;
- Сарановское хромитовое месторождение;
- минералы Ильменских и Вишневых гор Южного Урала;
- минералы Кольского полуострова;
- минералы месторождений Приморья;
- минералы пегматитов и других месторождений Сибири;
- минералы месторождений Средней Азии, Казахстана;
- Коллекции поделочных камней: агат, шайтанский переливт, амазонит, лазурит, лиственит, родонит, нефрит, чароит, яшма и др.
Кроме того в этой группе хранятся и предметы из камня – ювелирные и камнерезные изделия.
Особо следует остановиться на коллекция минералов и горных пород Мурзинских самоцветных копей, которая составляет 1385 единиц хранения. Она комплектовалась через экспедиционные сборы (1960-1980-е гг.), приобретения у коллекционеров, в Нейвинской геологоразведочной партии, а также через дары населения.
Северная часть Самоцветной полосы Урала относится территориально к Пригородному району Свердловской области. На этой площади учтено около 150 самоцветных копей, кадастр минералов включает 116 минеральных вида. В собрании музея-заповедника представлены кристаллы топазов, гелиодоров, кристаллы и щетки аметистов – главных самоцветных минералов пегматитовых жил. Наиболее полно скомплектованы коллекции минералов жил Мокруша, Казенница, Голодный лог, а также аметистовых жил месторождения Ватиха.
Меднорудянское месторождение находится на южном склоне горы Высокой в черте г.Нижнего Тагила. Разрабатывалось с 1814 года по 1918 год шахтами до глубины 325 метров на медную руду и малахит, с 1973 года по 1987 год – открытым способом на железную руду. По богатству имеющихся на месторождении минералов, количеству добытого малахита – 930 т (57 000 пудов) имеет мировую известность. Здесь были открыты два новых для науки минерала – брошантит и делафоссит. К настоящему времени известно 64 минерала. Последний кадастр составлен в 1999 году кандидатом геологических наук А.Ф. Бушмакиным. В 1997 году в коллекции музея и у коллекционеров города им обнаружено 13 новых для месторождения минералов. В геологической коллекции музея-заповедника 437 образцов Меднорудянского месторождения 27 минеральных видов, в том числе две глыбы малахита весом 300 и 500 кг – фрагменты малахитового монолита, обнаруженного на месторождении в 1836 году и давшего 480 т поделочного камня.