Das Referat Geologie, Mineralogie und Sedimentologie betreut zwei Sammlungen: die Mineralogische Sammlung (einzelne Minerale und Mineralstufen) und die Geologisch-Petrographische Sammlung (Gesteine).

Die Mineralogische Sammlung des SMNK umfasst derzeit ca. 40 000 Stücke. Sie baut auf wertvollen historischen Konvoluten auf, die einst von der badischen Markgräfin Karoline Luise zusammengetragen wurden. Ihre „Kleine Hand-sammlung» war eine Schenkung der Kaiserin Maria Theresia, die „Russische Sammlung“ eine Schenkung des Zaren Alexander I. Eine weitere von Luise an-gelegte Sammlung umfasst geschliffene Gesteinsplatten einheimischer badischer Gesteine. Ein Teil der Sammlung ging im 2. Weltkrieg verloren. Im 20. Jahrhundert wurde die Sammlung weiter vervollständigt.

Die systematisch-mineralogische Sammlung deckt alle Mineralgruppen ab (z.B., Silikate, Oxide), enthält eine grosse Anzahl von gediegenen Elementen (z.B., Blei, Kupfer, Schwefel), aber auch von industriell hergestellten Mineralen. Die Stücke stammen sowohl aus der Region, wurden aber auch zur Vervollständigung aus aller Welt zusammen getragen. Viele der Mineralstufen sind von grosser Qualität und Seltenheit. Ein weiterer Teil der Sammlung besteht aus Belegstücken, d.h. wissenschaftlich bearbeiteten Stücken deren Befunde veröffenlicht wurden.

Der lagerstättenkundliche Sammlungsteil konzentriert sich auf die Zusammen-stellung der Minerale und Mineralvergesellschaftungen, die in historischer Zeit und teilweise auch bis heute im Schwarzwald abgebaut werden (z.B., Grube Clara). Die Bedeutung dieser Stücke (z.B., Buntmetalle, Schwerspat, Flussspat), liegt nicht nur in den schön anzusehenden Mineralstufen selbst, sondern auch darin, dass die meisten der Fundstätten heute nicht mehr zugänglich sind.

Darüber hinaus verfügt das SMNK über eine Sammlung von Meteoriten und Tektiten. Meteorite haben eine kosmische Herkunft, Tektike hingegen sind Gesteine unserer Erde, die durch den starken Druck und die hohe Temperatur     bei einem Meteoriteneinschlag (Impakt) überprägt wurden. Die Sammlung umfasst auch eine Vielzahl von Gesteinen des Ries-Impakts, der Süddeutschland vor ca. 15 Millionen Jahren erschütterte.

Die Geologisch-Petrographische Sammlung des SMNK besteht derzeit aus rund 8000 Gesteinen. Die Sammlung ist in die drei Hauptgesteinstypen Magmatite (Vulkanite und Plutonite), Metamorphite und Sedimentite gegliedert.

Der Sammlungsteil „Geologische Erscheinungsformen“, bietet einen Überblick über tektonische (z.B., Falten und Klüfte) und sedimentäre Strukturen (z.B., Schrägsschichtung, Gradierung), sowie Indizien für Oberflächenprozesse wie Verwitterung (z.B., Verkarstung) oder Vereisung (z.B., Gletscherschrammen).

Eine Besonderheit ist die historische Sammlung von Professor Dr. K. Futterer. Prof. Futterer, gebürtiger Stockacher, reiste mit seinem Expeditionsteam von 1897 bis 1899 durch Innerasien, von Turkestan, ins Pamir-Gebirge, nach Kaxgar, über die nördliche Seidenstrasse, entlang des gelben Flusses, ins östliche Tibet, die Wüste Gobi und durch China weiter bis nach Shanghai. Die Sammlung umfasst verschiedenste Gesteine und wird durch die originalen Aufzeichnungen Futterers vervollständigt.