La collection d'art animalier distingue fortement Vernon d'un musée strictement consacré aux impressionnistes. Sculptures, dessins et peintures montrent comment les artistes se sont intéressés à la forme, au mouvement et à l'expression des animaux. Le musée présente des œuvres de Rembrandt Bugatti, François Pompon, Paul Jouve et Théophile-Alexandre Steinlen, avec des dépôts provenant notamment du Louvre et du musée d'Orsay.
L'origine de cette attention au vivant remonte aux collections municipales. En 1862, la donation de François de Brécourt comprend quelque 2 000 oiseaux naturalisés issus de Normandie et d'ailleurs. Le rapprochement entre spécimens d'histoire naturelle et représentations artistiques éclaire l'évolution des façons de regarder l'animal : de la classification à l'interprétation esthétique.
Ces collections n'ont pas toutes le même statut. Un dépôt d'un musée national peut être exposé à Vernon sans appartenir à la commune. L'accrochage peut également changer selon les prêts et la programmation.