Le raccolte paleontologiche, già iniziate nel secolo XVI dai Medici e sistemate fra le opere d'arte nelle Gallerie di Palazzo Pitti e degli Uffizi, s'accrebbero ulteriormente con la famiglia Lorena, quando fu creata una specifica sezione nel grande Museo di Fisica e Storia Naturale.

Nel 1870, in seguito alla creazione dell'Istituto di Studi Superiori, le collezioni furono trasferite presso il "Gabinetto di Geologia" in piazza San Marco. Infine, nel 1925, furono collocate nell'attuale sede di via La Pira. Il patrimonio del Museo è stato progressivamente incrementato, sia con l'acquisizione delle raccolte di Pier Antonio Micheli, Giovanni Targioni Tozzetti (nel 1845) e Strozzi (nel 1895), sia grazie ai reperti raccolti nel corso di numerosi viaggi di esplorazione e studio. Oggi, oltre alla funzione didattica e di ricerca, la Sezione opera autonomamente recuperi e restauri.

Il museo presenta quattro principali collezioni. La collezione di Invertebrati (circa 175.000 reperti) raccoglie invertebrati del Paleozoico di provenienza italiana e straniera. Particolarmente ricca la raccolta di molluschi pliocenici della Toscana donati dalla ditta Dalmine. Di notevole interesse sono le raccolte Fucini, De Stefani, Dainelli e Marinelli, Stefanini, Seguenza.

La collezione di piante fossili (circa 8.000 reperti) conserva esemplari provenienti soprattutto dalla Toscana. Di notevole importanza sono la raccolta di filliti del Monte Pisano, la collezione Strozzi, la raccolta di resti vegetali della miniera di Santa Barbara (Villafranchiano inferiore).

La collezione di rocce (circa 5.000 reperti) è composta da una raccolta litologica generica, da rocce provenienti da Eritrea, Etiopia, Somalia, Tibet, Caracorum e da collezioni litologiche raccolte lungo i trafori del Sempione e del San Gottardo.

Infine la collezione di Vertebrati (circa 27.000 reperti), che trae origine dalle collezioni medicee e lorenesi, comprende principalmente i resti fossili di mammiferi del periodo Villafranchiano (Plio-pleistocene) provenienti dal Valdarno superiore, per i quali il Museo riveste un'importanza nazionale ed internazionale. Oltre ai Vertebrati italiani, sono presenti resti provenienti da vari luoghi (Nuova Zelanda, America Settentrionale, India, Siberia). Numerosi sono gli scheletri montati (elefanti, rinoceronte, ippopotamo, cavalli leptobos e altri). Fra i reperti è da segnalare uno scheletro quasi completo di Oreopithecus bambolii (scimmia antropoide).