Сектор досліджує природні умови та ресурси Луганщини, фауну та флору краю.
Основні напрямки роботи сектору:
- збір, дослідження та систематизація матеріалів з історії вивчення природи краю;
- пропаганда музейними засобами знань про природу Луганщини та її охорону (проведення тематичних і оглядових екскурсій, читання лекцій, організація виставок з колекційної збірки музею, проведення масових заходів);
- написання статей, текстів лекцій, наукових довідок, проспектів екскурсій;
- складання тематико-експозиційних планів.
Для відвідувачів проводяться оглядова, інтерактивні, а також низка тематичних екскурсій, зокрема: «Охорона природи Луганщини», «Фізико-географічна характеристика Луганщини», «Тваринний світ Луганщини та його охорона», «Птахи Луганщини та їх охорона», «Дивовижний світ природи» , «Найдивовижніші динозаври», «Панченко С.Г. – орнітолог Луганщини».