Westfalen ist reich an Fossilien und an Aufschlüssen aus unterschiedlich alten Schichten der Ergeschichte. Die paläontologische Sammlung umfasst 250.000 Fossilien mit geografischem Schwerpunkt auf Westfalen-Lippe vom Ordovizium bis zum Holozän. Zudem gibt es Vergleichsstücke aus der ganzen Welt.

Die meisten Objekte stammen aus privaten Sammlungen, die dem Museum übereignet wurden, oder aus Grabungen, die von Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Museums im Rahmen der Paläontologischen Bodendenkmalpflege durchgeführt werden.

• Panzerfische aus dem Ordovizium
• Trilobiten aus dem Devon
• Einige der ältesten Fluginsekten der Welt aus dem Karbon von Hagen-Vorhalle
• Ein Protorosaurus und einzigartige Fische aus dem Perm (Kupferschiefer) bei Ibbenbüren
• Eine riesige Seelilienplatte aus der Trias bei Bad Driburg
• Der älteste Plesiosaurier der Welt aus der Trias (Rhätium) bei Warburg-Bohnenburg
• Westphaliasaurus, ein einzigartiger Plesiosaurier aus dem Jura bei Höxter
• Wiehenvenator, der größte deutsche Raubsaurier aus dem Jura bei Porta Westfalica
• Ein ganzes Ökosystem mit Säugetieren, Dinosauriern und vielem mehr aus der Unterkreide bei Balve
• Die Iguanodonten aus Brilon-Nehden
• Die größten Ammoniten der Welt und eine reichhaltige Meeresfauna aus der Oberkreide der westfälischen Bucht
• Meeresfauna aus dem Oligozän des Dobergs von Bünde
• Eiszeitliche Tierwelt aus Höhlen des Sauerlandes oder aus den Knochenkiesen