Aufgrund ihres Umfanges und ihrer historischen Bedeutung ist die ornithologische Kollektion innerhalb der Wirbeltiersammlung der NGdO an erster Stelle anzuführen. Über mehrere Generationen hinweg konzentrierten die Ornithologen der Gesellschaft ihre Sammlungs- und Forschungstätigkeit auf das Osterland. 1817 überreichte u.a. der Renthendorfer "Vogelpastor" Christian Ludwig Brehm – selbst Mitglied der NGdO und Vater des berühmten Zoologen Alfred Brehm – für die Sammlung die ersten Vögel, die er selbst erlegt und präpariert hatte. C. L. Brehm lieferte auch durch zahlreiche wissenschaftliche Aufsätze und Vorträge Diskussionsstoff für die osterländer Ornithologen . Doch leider übernahm die Gesellschaft von ihm nicht das wissenschaftliche Sammeln von Vogelbalgserien zur vergleichenden Forschung. Erst Anfang des 20. Jahrhunderts wurde diese Methode in der NGdO vor allem von dem Altenburger Ornithologen Hugo Hildebrandt praktiziert.

Die NGdO profitierte außerdem von dem parallel zu ihr wirkenden "Ornithologischen Special-Vereines des Pleißengrundes" (1850 – 1865), dessen Mitglieder auch als "Bauernornithologen" bezeichnet wurden. Einige von ihnen waren gleichzeitig in der NGdO tätig. Von diesen erwarb die Gesellschaft nicht nur einzelne Präparate, sondern auch geschlossene Kollektionen, u.a. 1876 die Vogelsammlung des Lehrers Schach aus Rußdorf. Die NGdO erhielt ebenfalls eine Vielzahl besonders farbenprächtiger Exoten. So übergab beispielsweise Alfred Brehm der Gesellschaft mehrere Vögel, die er auf seiner Afrikareise (1847 – 1852) erlegte und die zumeist von seinem Vater präpariert wurden.

Im Vergleich zur großen Anzahl ornithologischer Objekte gelangten nur wenige Präparate von Säugetieren, Fischen und Amphibien in die Wirbeltiersammlung. Jedoch war die Gesellschaft im Besitz einer zoologischen Rarität, eines mumifizierten Rattenkönigs, bestehend aus 32 mit den Schwänzen verknoteten Hausratten. Der Rattenkönig wurde 1828 im Buchheim bei Eisenberg (Thüringen) beim Abriß eines Kamins gefunden. Von den Amphibien und Reptilien sind vor allem Exemplare aus Ostindien zu erwähnen, die von Dr. Hermann Schlegel (Leiden, Mitglied der NGdO) als Geschenke übergeben wurden.