Le collezioni traggono origine dai reperti recuperati durante gli scavi effettuati nelle grotte delle Alpi Apuane e del Monte Pisano dal medico locale Carlo Regnoli alla fine dell'Ottocento. L'importanza di tali scoperte fu tale che i reperti vennero esposti alla Galerie du travail nell'Esposizione Universale di Parigi nel 1867. La collezione Regnoli comprende manufatti ceramici, in pietra levigata, in osso e in metallo del periodo compreso tra il Paleolitico Medio e l'Età del Ferro. Il nucleo originale si è poi arricchito nel corso degli anni dei materiali provenienti dagli scavi e dalle ricerche compiuti dai docenti e dagli studiosi dell'Università di Pisa in varie parti d'Italia. A questi nuclei, dovuti all'attività di personaggi come Antonio Mario Radmilli ed Ezio Tongiorgi, sono venuti ad aggiungersi anche oggetti e calchi donati da studiosi e privati cittadini. Di particolare interesse sono la collezione naturalistica e quella paleontologica (composta da resti di mammiferi, microfauna e malacofauna) che furono oggetto di studio da parte di Tongiorgi e di Radmilli nell'indagine delle variazioni ambientali e dei tipi di economia dell'era preistorica. Si segnala, infine, ciò che resta della collezione Graziani, celebre studioso di preistoria: oltre quaranta cartoni su cui sono inseriti manufatti litici e ceramici corredati da didascalie autografe.