Tvoria ju vzácne pozostatky rastlín a živočíchov, ktoré žili na našej planéte od prahôr (archaikum) po štvrtohory (kvartér).
Paleozoologická zbierka predstavuje predovšetkým doklad o vývoji (evolúcii) života, doložená fosíliami (dierkavce, hubky, koraly, červy, mäkkýše, ramenonožce, machovky, článkonožce, ostnatokožce, graptolity a stavovce) zo slovenských, ale aj zahraničných lokalít. Výnimočné sú nálezy mamutov, nosorožcov, praturov, jaskynných hyen a početný osteologický materiál jaskynných medveďov zo slovenských jaskýň. Jedinečná je lebka leva jaskynného, ktorá sa spolu so zvyškom kostry dostala do zbierok vďaka zanietenosti jaskyniarov z Liptovského Trnovca. Unikátnym predmetom svetového významu je časť kostry pachypleurosaura z Demänovskej doliny. Ide o prvé nájdené kosti štvornožca z druhohôr a doposiaľ najstaršieho známeho stavovca z územia Slovenska. Obidva unikáty sú inštalované v novej paleontologickej expozícii múzea.
Početne skromnejšia paleobotanická zbierka zhromažďuje doklady o existencii najrozmanitejších rastlinných druhov na území bývalého Československa. Jej základ tvorí zbierka z čias Jána Volka-Starohorského. Obsahuje odtlačky listov a cievnych zväzkov v rôznych horninách, skamenelé korene a opalizované drevá. Skameneliny zástupcov rôznych rastlinných spoločenstiev majú nesmierny význam pri interpretácii paleoprostredia a sú jedinečnými dokumentmi existencie niektorých dnes už vyhynutých druhov flóry.
Kurátor: Mgr. Tomáš Čeklovský, PhD.