История формирования палеонтологической коллекции уходит своими корнями в ХIХ век. Большой вклад в её комплектование внесли такие известные ученые и краеведы, как И.Я. Словцов, П.Л. Драверт, А.Ф. Палашенков, велика также и роль местного населения, ежегодно пополняющего фонды музея новыми интересными экспонатами.
Палеонтологическая коллекция состоит из более чем 2000 единиц. Значительная её часть – это остатки беспозвоночных животных. Среди них образцы из Восточного Казахстана, собранные Э.И. Корти в 1930-1940 гг. - окаменелые ядра брахиопод, кораллы, фрагменты морских лилий, отпечатки мшанок, морские желуди балянусы, белемниты, аммониты, морские пузыри, окаменелые трилобиты и многое другое. Из Омской области коллекцию пополнили раковины и ядра двустворчатых моллюсков. Обширную коллекцию отпечатков плиоценовых рыб в 1930-е гг. собрал П.Л. Драверт в Горьковском р-не Омской области. Также в коллекции имеются костные остатки рыб.
Коллекция млекопитающих животных четвертичного периода представлена костными остатками 21 вида средне-, позднеплейстоценовых и голоценовых зверей. Из них большая часть - остатки животных из подотряда жвачных, среди них краниальные скелеты бизона, тура, сайгака, северного, благородного и большерогого оленей, лося, рог архара, позвонки овцебыка и верблюда. В коллекции имеются остатки свиньи.
На втором месте по количеству единиц хранения - остатки древней лошади, среди них 5 фрагментов черепов и более 100 зубов.
Остеологическая коллекция ископаемых хоботных составляет четверть от общего количества единиц четвертичного палеоостеологического собрания. Она представлена различными костями мамонта и их фрагментами, обширной коллекцией зубов древних слонов, среди которых, кроме мамонтовых, зубы лесного прямобивневого и южного слона. Важное место занимает скелет мамонта, встречающий посетителей при входе в залы музея. Основа его была найдена М.С. Каргаполовым в 1924 г. на р. Оша в окрестностях с. Щербаково Знаменского р-на. В 2009 г. музею был передан скелет мамонта, обнаруженный в 2000 г. учеником 5 класса Петей Болбиным в окрестностях с. Большекулачье, извлеченный в 2001 г. членами Омского регионального отделения Русского географического общества. Этот скелет принадлежал очень крупному самцу, высота которого была около 3700-3800 см, что превышает верхние пределы высоты этого вида.
Многочисленны в коллекции остатки шерстистого носорога, среди них 5 черепов и 13 зубов. Интересным экспонатом является плечевая кость эмбриона шерстистого носорога.
Единичны остатки хищных в коллекции - это несколько фрагментов челюстей и кости посткраниального скелета пещерного медведя, челюсти псовых, череп плейстоценового барсука хорошей сохранности. В 2004 г. в Омской области Казанцевым Георгием был найден фрагмент черепа пещерного льва, ставший пока единственной подобной находкой в области.
Ежегодно коллекция пополняется экспедиционными сборами, местное население передает в дар случайные находки. В музее формируется обменный фонд четвертичной фауны, способный заинтересовать широкий круг специалистов и музейных работников.
