Integra um acervo de milhares de representantes dos principais grupos fósseis provenientes de formações portuguesas, cobrindo praticamente todos os períodos entre o Câmbrico e o Quaternário, que ocorreram em Portugal, estando apenas exposta uma pequena parte, constituída essencialmente por exemplares figurados ou escolhidos pela qualidade da sua preservação.

No conjunto, merecem destaque as coleções de fósseis de mamíferos terciários e de dinossauros. Entre os grupos de invertebrados, devem referir-se, pela sua dimensão e variedade, as coleções de amonites, bivalves, gastrópodes e braquiópodes.

Esta coleção contém diversas espécies-tipo (holótipos, síntipos e parátipos), quer de invertebrados, quer de vertebrados e encontra-se parcialmente publicada nacional e internacionalmente.

De entre os principais grupos fósseis representados nas coleções do Museu Geológico, destacam-se os seguintes:

• Vertebrados: Dinossauros e Mamíferos terciários;
• Invertebrados: Coraliários, Trilobites, Graptólitos, Braquiópodes, Equinodermes, Goniatites, Amonites, Belemnites, Bivalves, Gastrópodes;
• Plantas;
• Icnofósseis.