Занимает 8 залов восточного крыла главного здания. Представлены 2 отдела: позвоночных (около 5 тысяч экземпляров) и беспозвоночных (около 43,5 тысяч экземпляров) животных. Структура экспозиции построена по таксономическому признаку (для позвоночных – на уровне семейства, подсемейства, для беспозвоночных – главным образом на уровне отряда).

История создания Зоологического музея началась с коллекции, переданной Казанской 1-й мужской гимназии в 1798 году по Указу императора Павла I. По состоянию на 1819 год имелось 133 номера – млекопитающих, птиц, рептилий, членистоногих и червей. Позднее К.Ф.Фуксом были закуплены конхиологические собрания Ф.К.Броннера, состоявшие из 578 раковин; появились зоологические и палеонтологические коллекции Э.И.Эйхвальда, собранные им во время экспедиции по Арало-Каспийской области. В 1828–1860 годах большое значение в становлении музея имела деятельность Э.А.Эверсмана: при нем зоологические коллекции стали носить характер систематизированного собрания; благодаря приобретениям у частных коллекционеров и закупкам в Германии, особенно в Гамбурге у владельца торговой фирмы Брандта, они пополнились значительным количеством ценных экспонатов. Уже к 1 января 1844 года в музее насчитывалось 5735 предметов, за следующие 10 лет поступило еще около 400 экспонатов, в том числе 57 млекопитающих и 208 птиц. В дальнейшем кабинетом заведовали Н.П.Вагнер (1860–1871), Н.М.Мельников (1871–97). При последнем от известного химика А.М.Бутлерова была получена в дар коллекция чешуекрылых (1138 видов), выписана коллекция морских животных (в основном беспозвоночных) в количестве 157 номеров. За 1890–1897 годы было собрано 978 экземпляров птиц Казанской губернии (М.Д.Рузский, И.Н.Стрельников, С.О.Билькевич). В начале ХХ века под руководством А.А.Остроумова впервые опубликованы систематические каталоги птиц (С.Д.Лавров, 1907, 1911), рыб (В.И.Мейснер, 1907). С началом преподавания сравнительной анатомии в 1843 году был создан зоотомический кабинет, который возглавил П.И.Вагнер (позднее Н.П.Вагнер и В.В.Заленский). К 1850 году в нем насчитывалось 818 остеологических, спланхнологических, ангиологических и неврологических препаратов по позвоночным и 100 – по беспозвоночным животным. В 1883–1900 годах коллекции кабинета пополнились богатейшим материалом, собранным М.М.Усовым. Во время перестройки в 1906–1907 годах главного здания университета активное участие в постройке залов, а затем и оборудовании зоотомического кабинета принимали Э.А.Мейер и Н.А.Ливанов. По инициативе последнего в 1945 году был создан единый Зоологический музей с двумя отделами. Вклад в становление музея внесли его заведующий Г.П. Приезжев (1950–1960), А.В.Попов (1960–1991), таксидермисты П.Романов, Э.Д.Пельцам, Я.П.Коксин, Е.В.Прохоров.

Коллекции Зоологического музея, имеющие научную и культурную ценность, дают полное представление о многообразии животного мира – от одноклеточных простейших до приматов. По богатству представленных жизненных форм музей занимает одно из первых мест среди профильных музеев РФ. В нем собраны эндемичные и реликтовые виды фауны всех континентов, «краснокнижники» мирового значения: уникальная коллекция парнассиусов с территории бывшего СССР, императорский парусник, голиафы, геркулесы (наиболее крупные жуки), струнец медицинский, вестиментифера (с тихоокеанского хребта Хуан-де-Фука), летающий дракончик (с острова Ява), гаттерия, малайский аист-клювач, краснозобая казарка, черный гриф, стерх, синегорлый попугай, киви, ехидна, утконос, выхухоли, снежный барс. Гордость Зоологического музея – квагга (Equusquagga), истребленная около 150 лет назад (в мире сохранилось не более 10 полных чучел). Музей имеет и историческое значение: здесь работали выдающиеся ученые, экспонаты коллекции иллюстрируют становление и развитие препараторского искусства, таксидермии.