Палеонтологічний фонд музею зосередив у собі колекції різних груп викопної флори і фауни як з України, так і з різних країн світу. У ньому зберігаються оригінали решток викопних організмів різних геологічних періодів, які були описані у монографіях та статтях палеонтологами, що жили і працювали у Львові починаючи з ХІХ століття.
Унікальними є колекції юрських молюсків і губок, кам'яновугільної та міоценової флори Польщі, кембрійських трилобітів Чехії, девонських безщелепних і риб Поділля, крейдової фауни Східної Європи та ін. Особливе місце у цьому переліку посідають знахідки волохатого носорога і мамонта зі Старуні.
Палеонтологічний фонд складається з двох розділів – палеоботанічного та палеозоологічного фондів, а також окремої колекції "Старуньський комплекс", яка містить викопні рештки плейстоценової фауни та флори зі Старуні Івано-Франківської області, зокрема часткові скелети та збережені м'які частини мамонта і волохатого носорога.
Куратор палентологічного фонду - Бакаєва С.Г.
