La collezione paleontologica conta circa 200.000 reperti raccolti in oltre quattrocento anni e, per la maggior parte, provenienti da località italiane. Le raccolte più antiche furono studiate da personaggi storici della paleontologia italiana, fra i quali Meneghini, D’Achiardi e Canavari, e comprendono soprattutto invertebrati fossili, in particolare ammoniti. Ben rappresentate sono anche le filliti, con la flora fossile del Monte Pisano, e i vertebrati, sia marini (pesci e mammiferi) che terrestri (prevalentemente mammiferi). La collezione viene continuamente arricchita grazie all’attività di ricerca dell’Università di Pisa.