Colecţia paleontologică după diversitate şi valoarea ştiinţifică a neogenului şi antropogenului Moldovei este foarte preţioasă, tăinueşte în sine nenumărate, dovezi ale unei faune şi flore demult dispărute. Meleagul moldav poate fi considerat pe drept cuvânt muzeu paleontologic în aer liber. Sunt remarcabile piesele paleobotanice şi paleozoologice cuprinzând impresiuni de frunze din depozitele Sarmaţianului Inferior, fragmente de lemn pietrificat, colecţii de foraminifere cretacice şi paleogene, etc. Animalele fosile vertebrate din Sarmaţianul Mediu sunt prezentate prin fragmente de peşti placodermi şi osoşi, oseminte de păsări şi mamifere. O valoare deosebită o au scheletul unei foci şi carapacea superioară a broaştei ţestoase din genul trionix. Mîndria Muzeului o constituie scheletul complet al unui Deinotherium Gigantissimus cu vârsta de 7 milioane ani. În colecţie sunt oase de animale, care au trăit concomitent cu dinoteriul în neogen şi au format complexul faunistic hiparian: rinocerii, hiparionii, caii, mastodonţii ş.a. Din fauna complexului de la Tiraspol s-au păstrat oasele animalelor cu vârsta de un milion de ani: elefanţii străvechi, rinocerii, bizonii, urşii, hienele, specii noi de moluşte (specifice pentru Moldova). Secţiunea geologică a râpei Kolkotovo (cu rămăşiţe de oase ale acestor animale) este considerată etalon al pleistocenului în Europa. În baza acestui complex s-a format fauna contemporană a Moldovei. În perioada glaciară au locuit mamuţii, cerbii ghigantici, animalele răpitoare de peşteră: hiena, leul şi ursul. Lângă s. Butesti (nordul republicii) republicii au fost găsite oase a 40 de urşi, care au trăit acum 70-10 mii de ani.
