Формирование его коллекции началось в 1716 году, когда Петр I основал Кунсткамеру в Санкт-Петербурге. Там уже были первые палеонтологические находки — кости и зубы млекопитающих ледникового периода. Затем эти коллекции хранились в Минеральном кабинете Академии наук, преобразованном со временем в Минералогический музей. В 1925 году от него отделили Геологический музей. Затем он переехал в Москву в усадьбу «Нескучное» (бывший Манеж графа Орлова). И лишь в 1937 году отдельный Палеонтологический музей появился официально.
В 1945 году музей возглавил зоолог и палеонтолог Юрий Орлов. Именно он добился строительства отдельного здания.
А сейчас музей является частью Палеонтологического института имени Борисяка и сохраняет в фондах образцы, охватывающие временной период от докембрия до кайнозоя. В коллекции собраны тысячи экспонатов: подлинные окаменелости, скелеты древних животных, отпечатки растений, следы жизнедеятельности. Большой вклад в собрание вносят многолетние экспедиции сотрудников Палеонтологического института.
Залы музея фактически ведут посетителей по эволюции жизни и геологической истории Земли:
В коллекции Палеонтологического музея много уникальных экспонатов. Среди них — второй в мире почти полный скелет мамонта, слепок скелета плезиозавра со следами зубов акулы на костях, слепок скелета гигантского носорога индрикотерия.
В музее также регулярно проходят палеонтологические практикумы для педагогов и учащихся и работает палеонтологический кружок.
...по ночам ветер приносит из дальних залов загадочную каменную плиту, и она может подсказать ученым направление новых раскопок.