Počátky antropologické sbírky lze spojovat s působením muzejních archeologů 19. století, Josefa Vojtěcha Hellicha či Lubora Niederleho. Systematické budování antropologické sbírky ale započalo až po založení oddělení. V současnosti antropologická sbírka obsahuje více než 30 000 sbírkových předmětů, které lze dělit do čtyř tematických celků. Každý z těchto celků, fondů má svoji hodnotu z jiného hlediska a obohatila poznání jiné oborové specializace. Stěžejní a nejrozsáhlejší část představují lidské kosterní pozůstatky z hrobů odkrytých archeologickými výzkumy na území Čech, Moravy a Slovenska. Obsahuje zhruba  25 000 kosterních nebo žárových hrobů, které vypovídají o biologické variabilitě člověka od mladší doby kamenné po novověk. Jde o jednu z největších osteologických sbírek minulých populací v Evropě. Přestože v další podsbírce, která dokládá fylogenezi člověka, jednoznačně převládají „pouze“ odlitky významných světových fosilií, jejíž součástí jsou i dva originální nálezy, které jsou běžně citované v paleoantropologických přehledech. Jde o travertinový výlitek mozkovny neandertálského člověka z lokality Gánovce u Popradu, který prokázal existenci neandrtálců ve střední Evropě a pozůstatky anatomicky moderního člověka datované do svrchního paleolitu pocházející z jeskyně Zlatý Kůň u Koněprus. Součástí tohoto fondu jsou i pozůstatky opic z přelomu třetihor a čtvrtohor z lokalit Ivanovice u Trenčína, Hajnačka u Filakova či Zlatý kůň.

Třetím celkem je fond patologických změn a odchylek na kostrách a měkkých tkáních lidského těla. Tvoří ho zhruba 6 000 preparátů, které pocházejí z druhé poloviny 19. a první třetiny 20. století a byly do Národního muzea převedeny z II. patologicko-anatomické kliniky 1. lékařské fakulty UK.  Jde o nesmírně cennou kolekci z hlediska historie medicíny a srovnávací anatomie, jelikož u řady preparátů jsou známé základní demografické údaje pacientů, diagnóza, popřípadě průběh choroby. Kolekce má význam i jako referenční soubor, u kterého lze studovat různé projevy onemocnění, se kterými současná medicína již nemusí bojovat. Součástí fondu je i soubor montovaných koster dokládající celkové poruchy růstu, kolekce chorobami postižených pánevních kostí a dlouhých kostí končetin, lebek se syfilitickými změnami, lebek s předčasně srostlými lebečními švy či ukázky různých zhojených nebo smrtících poranění.  Konečně, posledním je fond odlitků posmrtných masek, lebek a rukou význačných osobností české historie (např. T. G. Masaryk, Jan Masaryk, E. Beneš, B. Martinů, V. Náprstek, J. E. Purkyně).  

Pokud bychom měli uvést nejvzácnější předměty z antropologické podsbírky, je to velmi problematické. Jednotlivé fondy mají hodnotu především jako celek. Unikátní jsou rozsáhlá raně středověká pohřebiště (např. Mikulčice – Valy), která díky svému „úzkému“ datování a počtu jedinců, umožňují populační přístup hodnocení, např. zdravotního stavu.  Velkou výpovědní hodnotu mají sbírkové předměty dokládající výskyt onemocnění a úroveň lékařské péče u našich předků. Příkladem je ojedinělý nález lebky nedospělého chlapce s oboustranným srůstem čelistního kloubu z velkomoravské lokality Rajhradice (9.–10. století).  Ke srůstu došlo následkem úrazu čelistních kloubů, který chlapec prodělal v dětství. I když dítě bylo schopno přijímat pouze tekutou stravu, žilo s tímto handicapem více jak deset let, což svědčí o vysokém sociálním cítění tehdejší společnosti, která se o tohoto jedince musela starat.