В состав фондовой коллекции «Живопись» входит 171 предмет. Коллекция включает станкóвую живопись, выполненную маслом и темперой на холсте, бумаге различного типа, картоне, дереве в жанрах анималистической, документальной живописи, пейзажа и портрета. Первые зарегистрированные в учётной документации данные о формировании коллекции живописи музея относятся к 1949 году. В этом году в фонды поступила копия с картины Ф. П. Решетникова «В. И. Сталин», выполненная художником Д. Л. Зайдман. С этого момента коллекция живописи пополняется как за счёт закупок и даров, так и за счёт картин, написанных специально для музея.

Для большей части произведений основу сюжета составляют животные в естественной среде обитания. В этих работах художниками-анималистами мастерски передан не только облик самих животных, но и особенности их поведения. Часть работ представляет собой изображения растений, а также ландшафтов различных природных зон.

Отдельную часть коллекции составляют портреты известных учёных и естествоиспытателей, политических деятелей. Часть работ, выполненных в этом жанре, принадлежит кисти известных советских художников В. А. Стенберга, М. Ф. Шемякина.

Значительную часть фонда «Живопись» составляют работы отечественных художников второй половины XX — начала XXI века. В фондах музея хранятся картины Заслуженных художников РСФСР А. М. Белашова, В. С. Буланкина, Е. И. Дешалыта, А. И. Коренцова, М. Л. Плаховой, А. И. Саханова; России И. П. Маковеевой, И. П. Рубинского; а также таких известных отечественных художников, как С. С. Витухновская, В. И. Гапошкин, Ф. Я. Голубков, А. П. Полюшенко.

Гордостью собрания живописи музея являются произведения выдающихся отечественных художников-анималистов московской школы: В. А. Ватагина, А. Н. Комарова, Н. Н. Кондакова, В. В. Трофимова, К. К. Флёрова. Их работы по праву считаются золотым фондом отечественной анималистики. Интересны с точки зрения истории науки произведения, выполненные С. С. Туровым. В составе коллекции есть также работа, выполненная Н. Баженовой — художником с ограниченными физическими возможностями. Несколько произведений фондовой коллекции «Живопись» можно увидеть в экспозиции музея в залах «Основы эволюционной теории» и «Подводный мир в волшебных шарах».