Observatorul Astronomic este amplasat în unul din sediile instituţiei, pe strada Republicii nr. 235 (fosta Bancă Agricolă). A fost iniţial deschis în anul 2006 ca punct de observaţii astronomice, după ce conducerea muzeului a achiziţionat din resurse proprii un telescop Meade LX 200 cu diametrul oglinzii principale de 250 mm.

În prezent la Observatorul Astronomic se desfăşoară o mulţime de activităţi cu publicul şi de popularizare a astronomiei. Se numără printre cele mai dotate observatoare astronomice din ţara noastră, având atât telescoape pentru observaţii cu publicul, cât şi un telescop specializat în astrofotografie şi cercetare ştiinţifică. În anul 2020 s-a achizionat un telescop solar LUNT, special conceput pentru observaţii solare, fiind unul dintre cele mai performate telescoape solare din România.

De asemenea în anul 2023 a fost achiziţionat un nou telescop cu diametrul oglinzii principale de 50 cm. Şi acesta se numără printre telescoapele cele mai mari, aflate în dotarea unei instituţii publice din ţara noastră.

De-a lungul timpului la Observatorul Astronomic au fost realizate şi descoperiri astronomice importante, care au intrat în istoria astronomiei româneşti. În februarie 2015 s-a descoperit o Novă Roşie Luminoasă, un obiect foarte rar şi spectaculos. În anul 2019 s-a descoperit o stea variabilă ce poartă numele de Barlad V1, iar în vara anului 2023 o novă rapidă în Galaxia Andromeda, ce mai poartă numele şi de Barlad V2.

Primele etape în formarea și dezvoltarea patrimoniului Secției de Științe Naturii au fost făcute de localnici, care au identificat întâmplător fragmente de oase fosile și le-au adus la muzeu; colecționari privați cum ar fi profesorul Maxim Iancu, care au donat diferite piese – prima colecție de roci și minerale, donația făcută de Asociația Vânătorilor și Pescarilor din Bârlad, constând în elemente naturalizate de zoologie. Dar, rolul principal la constituirea, dezvoltarea și permanenta îmbogățire a patrimoniului muzeal de la această secție l-au avut muzeografii specializați în diverse discipline ale științelor naturii.

Aceste evenimente au permis înființarea Secției de Stiințele Naturii, perioada pregătirilor și realizării primei expoziții a secției cu tematica „Evoluționism, petrografie și fauna locală”, desfășurându-se în intervalul 1953-1955, fiind panotată în aripa de Nord a sediului central al Muzeului.

Dintre muzeografi care au contribuit în mod deosebit la formarea și constituirea patrimoniului cultural al secției amintim pe: prof. Al. Săidecaru, prof. V. Palade, arheolog E. Popuțoi, prof. M: V. Popa și alții.

După anii 1960, expoziția permanentă a secției este reorganizată, cuprinzând de această dată doar elemente de faună locală, expuse după metoda sistematică.

După 25 de ani de la înființare Secția de Științele Naturii primește un spațiu nou la Casa Sturdza, clădire intrată în patrimoniul muzeului în 1978, spațiu în care activitățile secției s-au desfășurat pentru scurt timp.

Din 1996, secția organizează simpozioane și expoziții temporare cu diverse tematici, punându-se accent pe valorificarea patrimoniului muzeal propiu și, în același timp, atragrea în circuitul public a colecțiiilor aflate în proprietatea colecționarilor privați. De asemenea, s-a realizat schimburi de expoziții itinerante obținute din colaborările cu muzeele din țară. Câteva din expozițiile temporare realizate după această perioadă sunt: „Trofee cinegetice din colecția muzeului și colecții particulare”, „Falsuri și uz de falsuri în natură”, „Reptile exotice vii”, „Predicția seismelor și protecție anti seismică”, „Tehniconia – mărturii muzeale” etc.

Încă din 1997, s-a propus implementarea unui program de cercetări paleontologice în arealul Podișului Bârlad intitulat Faunele de vertebrate fosile din sedimentarul Podișului Bârlad și are ca scop îmbogățirea și diversificarea colecției de paleontologie. Obiectivele programului cuprindeau: prospecțiuni paleontologice de teren în podișul Bârladului, prepararea materialului paleontologic și valorificarea științifică și turistică a rezultatelor cercetărilor paleontologice.

În 2001, secția primește un nou spațiu la demisolul clădirii din str. Republicii, nr. 239. Aici este organizată noua expoziție permanentă a secției cu tematica „Flora și fauna din județul Vaslui”.

Colecție de plante superioare și inferioare herbarizate prin presare și uscare aparține unui număr de 40 familii recoltate din toate tipurile de ecosisteme  (pajiști naturale, păduri, lunci și locuri de sărătură). Colecția cuprinde peste 700 de planșe cu specii diferite și 1400 de plante uscate în nisip.

Noua expoziție permanentă a Secției de Științele Naturii intitulată „Flora și fauna din Județul Vaslui” a fost concepută ca un complex studiu monografic al județului cu privire la flora și fauna actuală, elemente osteologice fosile din paleofauna miocenă, pliocenă și pleistocenă, trofee cinegetice, roci și minerale.

În expoziție, sunt prezente șapte diorame, din care cinci sunt caracteristice zonei, surprins în cele 4 anotimpuri. În cele cinci diorame, materialul biologic este organizat în ecosisteme: diorama „Ecosistem de pădure” – primăvara;  diorama „Ecosistem de pădure” – vara; „Ecosistem de baltă” – vara; „Ecosistem de pădure” – toamna și „Ecosistem de râu” – iarna. Dintre mamiferele omnivore se remarcă Mistrețul, vânat în iarna anului 1915, de către Horațiu Eremie, în pădurile din județul Vaslui și declarat trofeul anului 1916. În ultimele două diorame sunt prezente „Păsări răpitoare de zi” și „Păsări răpitoare de noapte”.

Colecția de roci și minerale cuprinde eșantioane colectate atât din depozitele sedimentare ale Podișului Bârladului, cât și din faciesurile liotlogice ale Munților Carpați, cristale și flori de mină din zonele metalogenetice ale tării noastre.