Mit einem Bestand von fast 450.000 Bildern besitzt das Museum am Rothenbaum eine einzigartige fotografische Sammlung. Die älteste uns bekannte Fotografie wurde 1858 aufgenommen, nur sieben Jahre nach Erstellen des ersten Glasplattennegativs. Einige der Fotografien sind besonders hervorzuheben, so wie die 1885 auf Hawaii entstandenen Papiernegative von Eduard Arning. Weitere herausragende Objekte stellen die farbigen Autochrome im Kornrasterverfahren aus dem frühen 20. Jahrhundert mit Motiven aus Bolivien von Franz Bandholz dar. Von ebenso großer Bedeutung sind die mehr als 300 Platinotypien von Maya-Ruinen, die Teobert Maler ab 1875 erstellte oder die vermutlich ersten Farbaufnahmen aus dem Jemen, die Carl Rathjens 1937 auf dem damals innovativen Agfacolor Neu-Diafilm festhielt. Neben zahlreichen privaten Fotoalben sowie Bildmaterialien aus der Geschichte der Forschung und Lehre beherbergt die Sammlung wichtige Bestände an Expeditionsaufnahmen. Sie stammen beispielsweise von der sogenannten Innerafrika-Expedition von Herzog Adolf Friedrich zu Mecklenburg 1910/11 oder der Hamburger Südsee-Expedition zwischen 1908 und 1910. Aber auch die Konvolute von Hans Heinrich Brüning aus Südamerika, die Fotografien Johan Adrian Jacobsens von der amerikanischen Nordwestküste sowie die ehemalige Sammlung Museum Godeffroy mit dem Schwerpunkt Ozeanien stehen international immer wieder im Fokus kritischer kulturhistorischer Bildforschungen.