Gli strumenti della collezione rispecchiano la funzione svolta dall'insegnamento della fisica nell'ateneo. Fin dal 1250 circa erano previste delle lezioni di fisica negli studi di medicina. Dal '600, con la scienza in senso moderno, nascono i laboratori sperimentali dotati di strumentazione innovativa. Nel '700 diventano il gabinetto di fisica che sopravvisse anche alla soppressione napoleonica dell'ateneo senese. Sono conservati in ottimo stato strumenti per lo studio della meccanica (bilance, catetometri, ottanti, bussole, diapason), delle proprietà dei fluidi (areometri e termometri), per lo studio dell’elettromagnetismo (elettroscopi, galvanometri, reostati), della luce (prismi, lenti, specchi, polarimetri, microscopi e telescopi, spettroscopi) e apparati per studiare i raggi catodici, i raggi X, le scariche elettriche nei gas e la fluorescenza. Tra gli strumenti di pregevole fattura ricordiamo un pendolo elettrico perpetuo di Zamboni e alcuni strumenti di Giovanni Battista Amici.