Le collezioni paleontologiche si suddividono in collezioni storiche e collezioni di più recente acquisizione.
Collezioni storiche: una delle più antiche è quella dei fossili di Bolca (Eocene medio, circa 50 milioni di anni fa – Ma), costituita soprattutto da pesci e foglie fossili, arrivata in museo a attorno al 1850.
Nella seconda metà dell’800 arrivarono in museo anche centinaia di reperti eocenici dell’Istria (soprattutto invertebrati: echinidi, gasteropodi, crostacei), gli oltre 2200 esemplari di foglie fossili dal Trifail (oggi Tribovlje, SLO) e reperti del Cretaceo superiore del Carso, tra i quali i pesci e i rettili fossili di Comeno (Slovenia) (Cretacico superiore, circa 95 Ma), località famosa già nella seconda metà dell’ottocento, per i ritrovamenti di pesci e rettili fossili nei calcari lastroidi utilizzati per la copertura dei tetti delle case.
Delle collezioni del museo fanno parte circa 300 pesci e nove rettili.
Tra questi Carsosaurus marchesettii ed Adriosaurus microbrachis, importante perché ha gli arti superiori ridotti (presente solo l’omero, l’osso del braccio) e questa particolarità lo rende il più antico esempio di arti vestigiali in un sauro fossile adattato a vivere in un ambiente acquatico. Tra i fossili quaternari, importanti i reperti della breccia di Slivia (circa 900.000 anni fa) sito che segna il primo ingresso dell’Elephas antiquus in Italia e l’ultima presenza della grande iena estinta Pachycrocuta brevirostris e le centinaia di reperti di orso delle caverne (Ursus spelaeus), provenienti soprattutto dalla grotta Pocala (TS).
Nuove acquisizioni: i fossili del Villaggio del Pescatore (TS) (Cretacico superiore, circa70 Ma) ai quali appartiene il famoso dinosauro Antonio (Tethyshadros insularis) uno dei dinosauri di taglia medio grande meglio conservati al mondo, rarissimo esempio di dinosauro intero (con tutto lo scheletro) ed articolato.
