I fossili più notevoli sono esposti nel Salone di Paleontologia, nel cui centro spicca in particolare il grande scheletro di Elefante antico italico (Elephas antiquus italicus) che visse nelle foreste euroasiatiche del Quaternario ed è attualmente estinto; è probabile che l’elefante, rinvenuto nel 1941 in un deposito di farina fossile presso Viterbo, sia rimasto bloccato nella melma di un lago e non abbia saputo riguadagnare la riva: dopo la morte andò a fondo e, lentamente, venne sepolto dal sedimento lacustre, costituito dai microscopici scheletri delle Diatomee, che divenuto roccia conservò il fossile di questo grande animale. Per effettuare le opere di consolidamento dello scheletro in vista del montaggio a Genova, l’esemplare fu trasferito all’Istituto di Geologia di Pisa, dove però le ossa furono danneggiate dai bombardamenti alleati e quindi dovettero essere ulteriormente restaurate. Nel 1953-54 l’esemplare fu finalmente montato nell’attuale adeguata posizione grazie al contributo finanziario della Società Amici del Museo. Nel 1996 si è poi provveduto ad un accurato restauro dell’esemplare, a cura del Laboratorio dell’Istituto di Geologia e Paleontologia dell’Università di Firenze.
Altro campione unico esposto è l’olotipo della Palma Flabellaria mediterranea, descritta nel 1891 da Senofonte Squinabol (1861-1941).
Le vetrine offrono una panoramica sulle diverse modalità di fossilizzazione e sulla fauna dei vari periodi geologici.
La vetrina "Una storia ligure (dall’Eocene al Pleistocene)" racconta la storia geologica della Liguria mentre "Sotto le vie del centro di Genova" spiega come l’area urbana genovese, circa 5 milioni di anni fa, fosse occupata da un mare tropicale.