Es ist das bedeutendste Museum dieser Art in Italien und umfaßt etwa 300.000 Fossilfunde von Wirbeltieren, Wirbellosen, Pflanzen und Gesteinsproben. Es geht auf die paläontologischen und geologischen Sammlungen zurück, die von den Großherzögen Medici angelegt und dann in der lothringischen Zeit weitergeführt wurden, und die erst nach zahlreichen Umverlegungen im Jahre 1925 ihren Platz im heutigen Sitz fanden. Durch Schenkungen und neue Entdeckungen wuchsen die Sammlungen weiter an und weisen einige Stücke von außergewöhnlicher Bedeutung auf.

Neben der reichhaltigen Sammlung von Säugetieren von Villafranca im oberen Valdarno (beeindruckend sind vor allem die Rüsseltiere), sind besonders hervorzuheben: der Menschenaffe aus der Maremma (Oreopithecus bambolii), die Abdrücke von Reptilien aus dem Mesozoikum, die am Monte Pisano gefunden wurden, die nichtfliegenden Vögel (Moa) aus Neuseeland.

Ein Saal ist ganz der Evolution des Pferdes gewidmet; einige Vitrinen und Schautafeln erläutern die paläontologischen, biographischen und geographischen Gegebenheiten der Mittelmeerregion - und besonders Italiens - im Erdzeitalter des Hochmiozäns, ferner Hypothesen über den Ursprung des Lebens, die Evolution der Wirbeltiere und insbesondere der Primaten.

Im Museum kann man neben Wirbeltieren auch Reste von Wirbellosen und Pflanzen betrachten, die in der Zentralgalerie in chronologischer Anordnung ausgestellt sind. Das Museum übt didaktische Tätigkeiten aus, organisiert Besichtigungen mit Führung, Vorlesungen und vorübergehende Ausstellungen.