巴西國家博物館其中一件主要展品，是1784年在巴西巴伊亞州發現、重達5.36噸、全長逾兩米的巨型隕石「Bendego隕石」，是巴西歷來發現最大型鐵隕石。巴西皇帝佩德羅二世在1888年，將隕石轉贈予國家博物館，正式向公眾展出。
「首名巴西人」化石
同樣可能付諸一炬的，還有巴西至今發現的最古老人類化石Luzia。Luzia在1974年於米納斯吉拉斯州翟湖鎮地區被發現，估計屬於1.25萬至1.3萬年前的人類女性，故有「首名巴西人」之稱。不過研究員內維斯1988年發現，Luzia的構造和現今的巴西印第安人並不一致，引起專家質疑她是外來移民。數十年來仍陸續有相信是Luzia骸骨的化石被考古學家發現，大火前她的1/3骨骼已被當局修復，專家估計她死時約25歲，身高1.5米，在部落中負責採獵。
意古代「格鬥」酒瓶
巴西皇帝佩德羅二世的皇后克里斯蒂娜當年嫁到巴西時，從家鄉意大利帶來大批龐貝古城和古羅馬文物，全數納入博物館內。博物館其後亦透過收購，添置8世紀的聖餐杯及4世紀花瓶等文物。其中一件文物是來自意大利那不勒斯地區、屬於公元前4世紀的酒瓶，瓶身繪有兩名正在交戰的戰士，兩人之間有一隻小鳥，腳抓象徵勝利的絲帶，左邊一名女性手上則拿着一盤祭品。
最完整翼龍骨架
巴西國家博物館動物化石藏品同樣豐富，涵蓋地球不同的地質時期，並有不少於當地出土的恐龍化石，其中一件翼龍化石被視為是地球上最完整的翼龍骨架。
稀有未開棺木乃伊
18世紀巴西皇帝佩德羅二世在位時，為國家博物館添置大量文物，包括古埃及木乃伊，令當地成為世界少數有木乃伊展品的博物館之一，數量亦是拉丁美洲最多。其中一件阿蒙神殿女祭司木乃伊由19世紀末埃及統治者伊斯梅爾帕夏贈送，是博物館大火前世上少數從未開棺的古埃及木乃伊之一。木乃伊來自底比斯，估計是公元前750年左右，女祭司專門負責在祭祀時唱歌，X光掃描發現木乃伊喉部特別被薄紗保護，相信古埃及人認為這樣可以令她在死後繼續履行職責。
3500年歷史智利木乃伊
巴西國家博物館展出一具來自智利的木乃伊，估計有3,500年歷史。這具木乃伊呈坐姿，雙手放在腰間，整個人縮成一團。專家指出，這種姿勢常見於智利阿塔卡馬文化中，因居住地方天氣寒冷，當地人習慣以這種姿勢入睡，同時亦會在死者下葬時，為他擺出同樣姿勢。
17米長座頭鯨骨架
博物館藏品包括一座17米長座頭鯨骨架，但由於預算不足，無法負擔其修復費用，骨架自10年前開始不再公開展示，只在6月博物館200周年紀念活動上，短暫地再和公眾見面。