Экспозиция «Палеонтология» представлена образцами мягкотелых организмов (Nemiana simplex, следы ползания червей), трилобитов (вымерший класс членистоногих морских животных, живших от раннего кембрия до пермского периода), брахиопод (плеченогие моллюски), панцирных щитков девонских рыб, колониальных губок рода Chaetetes, члеников морских лилий (один из классов иглокожих), брюхоногих (род Turritella) и двустворчатых (род Griphaea) моллюсков, аммонитов (древние головоногие моллюски, существовавшие с девонского по меловой период). Последние получили свое название в честь одного из верховных богов древнеегипетского пантеона – Амона Фиванского, изображавшегося с закрученными бараньими рогами на голове.

В коллекции также имеются ростры белемнитов (они же «чертовы пальцы» - отряд вымерших головоногих моллюсков, родственников современных кальмаров), древних растений, а также одиночных и колониальных кораллов. Коллекция располагает крупными образцами органогенных известняков – осадочных горных пород морского происхождения, сложенных в основном карбонатными скелетными останками животных или растительных организмов и/или продуктами их жизнедеятельности. Посетители могут увидеть брахиоподовые известняки, а также образец ауцелового известняка юрского возраста с двустворками Aucella mosquensis и фрагментом отпечатка крупного животного (Самарская область).

В коллекции представлены образцы, найденные на территории Московской, Ульяновской и Ленинградской областей, а также окаменелости из Приднестровья (Украина), Туркмении, о. Мадагаскар. Наибольший интерес представляет панцирь трилобита рода Asaphus, из Ленинградской области (г. Волхов), а также аммонит рода Cleoniceras sp. ( о.Мадагаскар). Раковина аммонита представлена в разрезе, что позволяет наиболее полно рассмотреть ее строение. Весьма подробно показаны и внутрираковинные головоногие моллюски (белемниты) родов Cylindroteuthis и Pachyteuthis.

В верхнем ярусе нижнего зала музея расположена геохронологическая шкала (временная шкала истории Земли, применяемая в геологии и палеонтологии) - своеобразный «календарь» для обозначения геологического времени. Она показывает возрастное соотношение эпох развития жизни на Земле. Геохронологическая шкала создавалась для определения относительного геологического возраста горных пород. Ниже располагается пояснительная информация «Этапы возникновения и развития жизни на Земле», где дается название и краткая характеристика каждого периода, а также указывается их продолжительность.