Nel settore espositivo del Museo due sale sono dedicate agli invertebrati, con numerosi esemplari disposti in ordine sistematico; come per le altre collezioni, però, il maggior numero di reperti si trova nei depositi dove sono conservati in decine di migliaia di vasi e scatole.

La collezione dei poriferi (spugne) è assai importante poiché comprende circa 670 tra specie e sottospecie, 200 delle quali rappresentate da Tipi. La collezione degli aracnidi riveste un grandissimo interesse ed è una delle più ricche del Museo, comprendendo circa 350.000 esemplari, in gran parte di provenienza esotica. Soprattutto quelli birmani, malesi e papuani hanno costituito la base per gli studi svolti da Tord Tamerlan Thorell (1830-1901), uno specialista svedese trasferitosi in Riviera per ragioni di salute, che fu ospite per anni di Giacomo Doria e che pubblicò sugli “Annali del Museo” più di 3500 pagine di lavori, scritti rigorosamente in latino, descrivendo centinaia di specie nuove, in prevalenza di ragni.

La collezione dei crostacei comprende circa 30.000 esemplari con una buona rappresentanza di tutti i principali gruppi. La collezione dei miriapodi (chilopodi o centopiedi e diplopodi o millepiedi) è estremamente ricca, comprendendo circa 100.000 esemplari. 

Il primo nucleo della collezione dei molluschi risale al 1857, anno in cui Giacomo Doria, allora diciassettenne, iniziò col fratello maggiore Marcello (1828-1894) la “Collezione dei Fratelli Doria”, effettuando notevoli raccolte soprattutto presso La Spezia. La collezione malacologia conta circa 600.000 esemplari conservati principalmente a secco.