Zbiory fauny kopalnej, opracowane według obowiązujących zasad inwentaryzacji, obejmują skamieniałości bezkręgowców – około 13 tys. numerów inwentarzowych oraz kręgowców – około 1000 numerów inwentarzowych. Wśród nich wyróżniono kolekcje dokumentalne, regionalne i porównawcze (tematyczne zbiory okazów). Wiele spośród kolekcji dokumentalnych, liczących niekiedy wiele tysięcy okazów, opisanych w publikacjach naukowych zawiera typy opisowe (okazy, na podstawie których wyznaczono nowe taksony): wśród bezkręgowców – holotypy 4 rodzajów, 44 gatunków i 10 podgatunków; wśród kręgowców – holotypy 3 rodzajów i 18 gatunków.
W zbiorach bezkręgowców najliczniejsze i najbogatsze są kolekcje ramienionogów, mięczaków i szkarłupni z osadów mezozoiku i kenozoiku Polski. Stopień kompletności poszczególnych grup taksonomicznych pod względem gatunkowym jest różny. Unikatowy charakter mają kolekcje mięczaków jurajskich z tzw. kry łukowskiej, rejonu objętego obecnie ochroną rezerwatową. Gatunki przewodnie i charakterystyczne dla jury, kredy, paleogenu i neogenu Polski zostały opisane w „Budowa geologiczna Polski: Atlas skamieniałości przewodnich i charakterystycznych” pod redakcją L. Malinowskiej. Światową rangę ma najbogatszy w Polsce zbiór bezkręgowców z klasycznych (często już nieistniejących) stanowisk neogenu Europy. Jego gromadzenie zapoczątkowano w latach 1934-1939 podczas prac terenowych, finansowanych przez Towarzystwo Muzeum Ziemi, na obszarze południowego obrzeżenia Gór Świętokrzyskich, Podola i Wołynia. Systematycznie powiększany w ciągu ostatnich 50 lat podczas licznych krajowych i zagranicznych wyjazdów terenowych pracowników działu, zawiera niemal 500 tys. okazów reprezentujących ponad 1000 gatunków z najważniejszych odsłonięć fauny morskiej z prowincji medyterańskiej, atlantyckiej i Paratetydy. Zbiór ten, często wykorzystywany przez specjalistów do studiów porównawczych, wzbogacany jest okazami pozyskanymi w drodze wymiany i przyjmowania darowizn.
W zbiorach kręgowców kopalnych znajdują się unikatowe kolekcje: paleozoicznych ryb pancernych i ryb kostnoszkieletowych z obszaru Polski (Góry Świętokrzyskie), Ukrainy (Podole) i Rosji; szkieletu mioceńskiego walenia z gatunku Pinocetus polonicus Czyżewska et Ryziewicz, 1976 oraz naturalny odlew jego mózgu; bogata i cenna kolekcja późnoplioceńskich ssaków ze słynnego stanowiska brekcji kostnej w Wężach koło Działoszyna. W kolekcji ssaków plejstoceńskich, oprócz cennego zbioru mamucich zębów trzonowych, znajdują się: najlepiej zachowana w zbiorach europejskich czaszka nosorożca leśnego Dicerorhinus kirchbergensis (Jäger, 1839), poroże i czaszka jelenia olbrzymiego Megaloceros giganteus (Blumenbach, 1799) oraz unikatowy pod względem kompletności szkielet słonia leśnego Palaeoloxodon antiquus (Falconer et Cautley, 1847) wydobyty w roku 1962 w centrum Warszawy i uznany za jedno z ważniejszych w skali europejskiej znalezisk tego gatunku.