Στις συλλογές του Μουσείου συγκαταλέγονται ορυκτά και πετρώματα της Ελλάδας, απολιθώματα ασπόνδυλων οργανισμών και φυτών από διάφορες περιόδους της ιστορίας της Γης, καθώς και απολιθώματα σπονδυλωτών οργανισμών (ιχθύων, χελωνών, πτηνών, και διαφόρων ειδών θηλαστικών όπως ρινόκεροι, μαστόδοντες, ιπποπόταμοι, ελάφια, ιπποειδή, καμηλοπαρδάλεις, αντιλόπες, μαχαιρόδοντες, ύαινες) μέσα από τα οποία ο επισκέπτης παρακολουθεί την εξέλιξη της ζωής στον πλανήτη και τις αλλαγές της βιοποικιλότητας της Ελλάδας. Προπλάσματα και αντίγραφα σημαντικών παγκόσμιων ευρημάτων, όπως αυτών που σχετίζονται με την εξέλιξη του ανθρώπου κοσμούν επίσης τις προθήκες του μουσείου. Ο συνολικός αριθμός των ευρημάτων που φυλάσσει το Μουσείο ανέρχεται σε μερικές δεκάδες χιλιάδες, ενώ “δορυφορικές” τοπικές συλλογές εκτός του Μουσείου, βρίσκονται στη Σάμο, Γρεβενά, Καλαμωτό, Κιλκίς, Θερμοπηγή, Αλμωπία κ.α. 

Στο Μουσείο εκτίθεται μία σημαντική συλλογή προβοσκιδωτών που περιλαμβάνει ‘Μαστόδοντες’, Μαμούθ, και Ελέφαντες  του Μειοκαίνου-Πλειοκαίνου και Πλειστοκαίνου της Ελλάδας. 

Κρανίο και γνάθος της Αρκούδας των Σπηλαίων (Ursus spelaeus) με το χαρακτηριστικό έντονο προφίλ από το σπήλαιο των Πετραλώνων Χαλκιδικής. 

Κρανίο αντιλόπης (Helladorcas geraadsi) με σπειροειδή κέρατα ηλικίας 9,7 εκατ. ετών.

Αίγαγρος ο Μακεδονικός (Capra ibex macedonica). Νέο υποείδος μικρού βοοειδούς από το σπήλαιο των Πετραλώνων.

Τα απολιθώματα των θηλαστικών του Μουσείου συγκροτούν την μεγαλύτερη συλλογή και έχουν προκύψει από τις μεγάλες συστηματικές παλαιοντολογικές ανασκαφές του Εργαστηρίου Γεωλογίας και Παλαιοντολογίας, από τις αρχές του 1970. Από τις μεγαλύτερες ανασκαφές είναι αυτή της κοιλάδας του Αξιού και ακολούθησαν πολλές άλλες (Σάμος, Νικήτη, Περιβολάκι, Δαφνερό, Λεκάνη Μυγδονίας, Γρεβενά, Αλμωπία, Κρυοπηγή, Θερμοπηγή, Πλατανιά κ.α.). Τα απολιθώματα θηλαστικών του Μουσείου γενικά αντιπροσωπεύουν δύο μεγάλες περιόδους του γεωλογικού παρελθόντος: την Άνω Μειόκαινο (10-5 εκατομμύρια έτη πριν) και την Κάτω-Μέση Πλειστόκαινο (2,5 – 0,5 εκατομμύρια έτη), η καθεμιά με πολύ ιδιαίτερες και διαφορετικές από τις σημερινές συνθήκες. Στις ανακαλύψεις συμπεριλαμβάνονται περί τους 50 ολότυπους ειδών και γενότυπους, δείγματα δηλαδή που θεωρούνται ιδιαίτερης επιστημονικής αξίας καθώς καθορίζουν νέες μορφές ζωής.

Απολιθώματα μεγάλων θηλαστικών του μουσείου (ρινόκεροι –μαστόδοντες).

Μεσοπίθηκος ο Πεντελικός (Mesopithecus pentelicus) 7 εκατομμυρίων ετών από την Κρυοπηγή Χαλκιδικής.

Σημαντική θέση στις συλλογές του Μουσείου έχουν τα παλαιοανθρωπολογικά ευρήματα του ελληνικού χώρου που σχετίζονται με την εξέλιξη των πρωτευόντων αλλά και του ίδιου του κλάδου του ανθρώπου (Homo). Κορωνίδα του Μουσείου αποτελεί το κρανίο του Ανθρώπου των Πετραλώνων, ηλικίας περί των 200.000 ετών, από το ομώνυμο σπήλαιο της Χαλκιδικής. Πρόκειται για ένα από τα σημαντικότερα περιουσιακά στοιχεία του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου που εδώ και 60 χρόνια το φιλοξενεί στις συλλογές του. Εξίσου σημαντικά είναι τα ευρήματα του Ουρανοπίθηκου του Μακεδονικού που χρονολογείται στα 9-9,5 εκατ. χρόνια, το κρανίο του Μεσοπίθηκου του Πεντελικού από την Κρυοπηγή που χρονολογείται στα 7 εκατ. χρόνια, και το κρανίο του Παραδολιχοπίθηκου από την περιοχή της Κοζάνης που χρονολογείται στα 2 εκατ. χρόνια.

Ο Ουρανοπίθηκος ο μακεδονικός έζησε κατά το Ανω Μειόκαινο στην περιοχή της κοιλάδας του Αξιού ποταμού και της Χαλκιδικής, σε μία εποχή που ο ευρύτερος χώρος των νότιων Βαλκανίων θύμιζε περισσότερο την σημερινή αφρικανική δεντρώδη σαβάννα. Ήταν ένα μεγαλόσωμο εδαφόβιο ανθρωποειδές,  στο μέγεθος ενός σημερινού θηλυκού γορίλλα που τρεφόταν με ρίζες, βολβούς, φρέσκους βλαστούς και καρπούς. Κάποιοι ερευνητές θεωρούν ότι εξελικτικά βρίσκεται στην βάση του κλάδου που οδηγεί στους προγόνους του ανθρώπινου γένους, ενώ άλλοι πιστεύουν ότι συγγενεύει περισσότερο με τον σημερινό ασιατικό ουρακοτάγκο. Με τα μέχρι σήμερα δεδομένα είναι το πιο παλιό παλαιοανθρωπολογικό εύρημα που γνωρίζουμε από τον ελληνικό χώρο.

Το τμήμα ενός κρανίου και η γνάθος του Ουρανοπίθηκου του μακεδονικού (Ouranopithecus macedoniensis), o οποίος έζησε πριν από 9-9,5 εκατ. χρόνια στην περιοχή της κοιλάδας του Αξιού ποταμού και της Χαλκιδικής. 

Η κατάσταση της πολύ καλής διατήρησής του κρανίου του Ανθρώπου των Πετραλώνων το καθιστά ένα πολύτιμο εύρημα καθώς επιτρέπει μια ενδελεχή έρευνα των μορφολογικών χαρακτηριστικών του που με την σειρά τους  βοηθούν στην ερμηνεία της εξελικτικής θέσης του, σε συνδυασμό και με απόλυτες χρονολογήσεις: τα εξογκωμένα υπερόφρυα τόξα, το πεπλατυσμένο μετωπικό, η κρανιακή κοιλότητα των 1200 κ.ε., το ινιακό όγκωμα με πολλούς προνεατερντάλιους χαρακτήρες δηλώνουν μια τοποθέτηση στον Ανθρωπο της Χαιδελβέργης (Homo heidelbergensis). Η μελέτη του κρανίου είναι συνεχής από Έλληνες και ξένους επιστήμονες, ειδικούς παλαιοανθρωπολόγους.

Το Κρανίο του Ανθρώπου των Πετραλώνων, ηλικίας περίπου 200.000 ετών, θεωρείται το σπουδαιότερο εύρημα παλαιοανθρωπολογίας που έχει έρθει ποτέ στο φως στη χώρα μας (Πάνω: όπως ανακαλύφθηκε το 1960 καλυμμένο με σταλαγμιτικό υλικό. Κάτω μετά τον καθαρισμό του από τους καθηγητές Π. Κόκκορο – δεκαετία του 1960 και Ι. Μελέντη – δεκαετία του 1970).

Πάνω από 22 διαφορετικά είδη ζώων προέκυψαν από τη μελέτη της παλαιάς συλλογής (από τη δεκαετία του 1960) του Σπηλαίου των Πετραλώνων που ανήκει στο Μουσείο. Πολλά μεγάλα σαρκοφάγα κατοίκησαν το σπήλαιο (αρκούδες, ύαινες, λιοντάρια) και μετέφεραν σε αυτό τα φυτοφάγα ως λεία τους. Νέα είδη και υποείδη του Μέσου Πλειστόκαινου (700 χιλιάδων ετών τα αρχαιότερα) προσθέτουν επιστημονική αξία στην παλαιοπανίδα της περιοχής των Πετραλώνων Χαλκιδικής.

Η παλαιοντολογική έρευνα στο ΑΠΘ είναι διαρκής και ιδιαίτερα επιτυχής αφού από τις οργανωμένες έρευνες και ανασκαφές του Εργαστηρίου προστίθεται πληθώρα νέων απολιθωμάτων σε ετήσια βάση καθώς και ενίοτε μοναδικά ευρήματα που ανακαλύπτονται κάθε χρόνο από συναδέλφους ή φίλους της παλαιοντολογίας.