Plusieurs grands ensembles constituent le fonds patrimonial des collections de paléontologie.
Pour le Paléozoïque et le Mésozoïque, anciennement exposés dans la galerie Henri Douvillé, il s’agit principalement d’invertébrés dont la part prédominante est régionale avec les collections d’ Alexandre Leymerie (Petites-Pyrénées) ou encore de Joseph Monestier (Aveyron).
Ces collections ont été largement enrichies ces dernières années avec notamment l’acquisition d’oursins fossiles (collections Philippe Jauzac, Roland Reboul et Marc Barkat), ou d’ammonites (collections Philippe Fauré et Jérôme Plicot).
Les sites régionaux cénozoïques sont bien représentés grâce à un contexte géologique favorable ainsi qu’à l’implication des naturalistes et sociétés savantes locales.
La collection de fossiles continentaux du Bassin sous-pyrénéen, vertébrés compris, constituait dès les origines du muséum l’une des plus importante avec notamment la collection Jean-Baptiste Noulet exposée dans la galerie qui portait son nom. À cette collection viendra s’ajouter celle d’ Édouard Lartet, achetée à son neveu Jean-Jacques Costes en 1901, avec, entre autres, les vertébrés miocènes du Gers.
Les grands sites paléontologiques renommés comme Issel, les Phosphorites du Quercy, Grépiac, La Débruge, Saint-Gérand-le-Puy ou encore Armissan sont représentés et l’établissement conserve de nombreux spécimens provenant de ces localités.
Depuis 1987, date de sa découverte, le gisement paléontologique de Montréal-du-Gers est exploité systématiquement et vient lui aussi enrichir considérablement les collections de vertébrés miocènes (-17 millions d’années) du muséum.
Au sein de ce riche fonds, on dénombre environ deux mille spécimens types et figurés, photographiés et documentés individuellement, consultables sur la base eRecolnat.