Фонди Палеонтологічного музею документують процеси та явища, які відбувалися у природному середовищі у різні відрізки геологічного часу і мали вплив на живі організми. Використання матеріалістичного світогляду і системного підходу у пізнанні Всесвіту і планети Земля як складової макро- і мікрокосмосу відіграло неоціненне значення у вивченні її будови, складу, процесів та явищ, а також сприяли формуванню головної наукової концепції Палеонтологічного музею, яка полягає у розумінні й уявленні:
- Закономірностей походження, організації, акумуляції і локалізації речовини у просторі і часі.
- Закономірностей виникнення, розвитку, функціонування і взаємодії сучасних і викопних екосистем різного рівня організації і підпорядкування.
- Закономірностей еволюції біосфери й розвитку живого на Землі (зокрема морфології, способу життя і середовищ побутування давніх організмів, їхньої появи та зникнення).
- Загальних закономірностей впливу екологічних чинників на живі організми, у тому числі, людину.
Знання і розуміння цих закономірностей, виявлення й оцінка загрозливих чинників запорука збереження природних ресурсів і здоров’я населення з прогнозуванням їх розвитку та негативних наслідків.
Сьогодні колекції Палеонтологічного музею класифіковані за призначенням на монографічні, експозиційно-виставкові та навчальні; за значимістю – на унікальні, рідкісні й цінні.
Фонди Палеонтологічного музею налічують понад 18 тисяч експонатів з різних куточків Світу, віковий діапазон яких становить від понад 600–540 млн років до сучасних представників фауни і флори.
Колекції експонуються у 6-ти залах (відділах систематичної палеонтології, історичної геології, регіональної палеонтології, біоти антропогену, палеоекології, монографічному відділі, а також триває підготовка нових експозицій). Загальна площа 300 м2, задіяно 72 вітрини та 16 фондових шаф.