Το σημαντικότερο εύρημα της παλαιοντολογικής συλλογής του Μουσείου είναι η απολιθωμένη κάτω γνάθος με την οδοντοστοιχία και τα οστά του Δεινοθηρίου (Prodeinotherium bavaricum), του πρώτου ζώου που βρέθηκε στην περιοχή του Απολιθωμένου Δάσους Λέσβου και ενός από τα παλαιότερα απολιθώματα σπονδυλωτών ζώων στην Ελλάδα.

Η συλλογή περιλαμβάνει επίσης απολιθώματα θηλαστικών, μικροθηλαστικών, ερπετών, ψαριών και ασπόνδυλων ζώων από την περιοχή του Απολιθωμένου Δάσους Λέσβου, αλλά και απολιθώματα σπονδυλωτών και ασπόνδυλων ζώων από όλο τον κόσμο που αποκτήθηκαν μέσω ανταλλαγών με άλλα Μουσεία.