O circuito de História Natural, que ocupa sobretudo o primeiro e segundo piso do corpo oeste do edifício do Núcleo de Santo André, é composto por oito salas.

A Sala do Mar é o espaço dedicado ao ambiente marinho, onde encontramos representantes de vertebrados marinhos, mamíferos, peixes e répteis. Nesta sala encontram-se algumas das maiores criaturas marinhas que povoam os mares dos Açores, onde o principal destaque recai sobre o cachalote, um dos mais emblemáticos cetáceos que cruzam as nossas águas.

Na Sala das Aves encontram-se expostas as primeiras coleções do Museu, resultado da colaboração de naturalistas e de instituições como os Museus de Coimbra e de Lisboa. Faz parte desta coleção um conjunto de exemplares capturados nos Açores e que constitui uma amostra representativa da avifauna que pode ser observada no arquipélago, desde aves residentes e aves migradoras nidificantes, frequentes, ocasionais e esporádicas. Esta sala reúne, igualmente, aves raras, como o priolo; extintas, como o periquito-da-carolina e muitas aves exóticas e de plumagens multicolores que fascinam e deslumbram os visitantes.

A Sala dos Peixes reúne vários espécimes recolhidos nas águas insulares ao longo das campanhas oceanográficas realizadas entre os finais do séc. XIX e primeira metade do séc. XX. Nesta coleção encontramos ainda, peixes cartilagíneos e ósseos, onde se destaca um gigante e tranquilo peixe-lua.

Segue-se a Sala dos Mamíferos, onde se destacam os espécimes introduzidos pelo Homem depois do início do povoamento, no séc. XV e outros introduzidos acidentalmente. Este espaço reúne peculiaridades e monstruosidades bovinas que desde sempre fascinaram os visitantes. A coleção de mamíferos do Museu Carlos Machado inclui, também, muitas espécies exóticas consideradas, à semelhança de outros museus de História Natural, as principais atrações, recordado a prática que vem dos clássicos gabinetes de curiosidades.

No segundo piso do antigo convento de Santo André, encontra-se a Sala do Invertebrados, onde estão expostos um conjunto animais com caraterísticas muito diferentes que, partilham o facto de não possuírem ossos ou um esqueleto ósseo, onde se incluem borboletas, escaravelhos e moluscos. Neste espaço destacam-se espécimes marinhos provenientes dos mares açorianos como os cavacos, as lagostas e os caranguejos de profundidade, e ainda, espécimes terrestres onde se destacam as borboletas e os escaravelhos, na sua maioria espécies exóticas de regiões temperadas a tropicais.

Segue-se a Sala dos Fósseis, Rochas e Minerais onde se avista a história da formação da Terra com cerca de 4600 Ma. Desta longa história geológica resultaram evidências materializadas em rochas e minerais que nesta sala ganham lugar de destaque. Os fósseis ocupam, igualmente, especial relevância, em particular os fósseis encontrados em ilhas vulcânicas: os fósseis marinhos quando associados à deposição de material calcário, como os da ilha de Santa Maria, e os fósseis terrestres, resultantes da preservação de material biológico (troncos ou folhas de árvore) em cinzas vulcânicas, existentes em várias ilhas.

A última sala deste circuito é a Sala das Plantas e Répteis, onde se destaca uma coleção particular açoriana, o Herbário do naturalista terceirense, José Augusto Nogueira Sampaio, que foi o interlocutor local dos naturalistas estrangeiros que visitaram os Açores, nomeadamente do geólogo G. Hartung e do botânico W. Trelease.