Nella sezione Paleontologica sono esposti un Ammonite ed un Zoophicos del Cretacico
superiore, foglie fossili del tardo Mioene-Pliocene iniziale, Bivalvi ed Ecinodermi del
Miocene, Bivalvi da un ambiente marino del Pliocene, resti di Leptobos, Pseudodama
Nestii, Sus Strozzii, Stephanorhinus etruscus, e Cervidi del Pleistocene inferiore
(Villafranchiano).
Collegato con questa sezione è il laboratorio di Palinologia indispensabile per
le determinazioni paleoambientali. Si tratta di una realizzazione che è unica in
Italia nel panorama dei Musei Civici di interesse comprensoriale.