Face parte din colecţiile cu care a fost fondat Muzeul Olteniei.
Primele piese ale colecţiei au fost donate de Alexandru şi Aristia Aman, mecena craioveni. Un aport însemnat la creşterea şi la studierea colecţiei au avut, printre alţii, marii oameni de ştiinţă: C. S. Nicolăescu-Plopşor, Alexandra Bolomey, Alexandru Firu, Costin Rădulescu, Petre Mihai Samson, Constantin Enache.
În prezent colecţia numără 16340 de piese (plante, nevertebrate, vertebrate), marea majoritate fiind descoperite pe teritoriul Olteniei. Remarcabile sunt fosilele de mamifere (cabaline, bovide, cervide, carnivore etc.) descoperite la Bugiuleşti (Valea lui Grăuncean, jud. Vâlcea, Pliocen superior), cele de urs de peşteră descoperite la Peştera Muierilor, localitatea Baia de Fier, jud. Gorj, atribuite Pleistocenului superior, sau cele de moluşte romaniene descoperite în proximitatea Craiovei, la Podari şi Bucovăţ.
Colecţia numără peste 200 de molari de proboscidieni (Anancus arvernensis, Mammuth borsoni, Mammuthus rumanus, Mammuthus meridionalis, Mammuthus trgontherii, Mammuthus primigenius).
Emblematice pentru muzeu sunt reconstituirile scheletului de mastodont (Anancus arvernensis) descoperit în anul 1928 la Stoina, jud. Gorj, a scheletului de urs de peşteră (Ursus spelaeus) de la Peştera Muierilor (1929), a mandibulei de mastodont (Mammuth borsoni) de la Veleni, jud. Dolj.
După 1989, la colecţia de Paleontologie au fost adăugate valoroasele piese aparţinând asociaţiei de mamifere pleistocene (Mammuthus meridionalis, Stephanorhinus grup etruscus/hundsheimensis, Plesippus athanasiui, Leptobos cf. furtivus etc.) descoperite la Leu, jud. Dolj, şi cele de mamifere pliocene de la Colţeşti, jud. Gorj.