Первые палеонтологические коллекции в Томском университете начали формироваться к его открытию в 1888 г. за счет частных поступлений. В дальнейшем эти коллекции составили "золотой фонд" музея. Сейчас они находятся в нескольких отдельных витринах и относятся к первому этапу накопления палеонтологического материала. Редчайшие коллекции утраченных местонахождений, сохранившиеся в нашем музее, имеют не только большую научную, но и историческую ценность. В качестве примера приведем коллекцию из знаменитых золенгофенских сланцев (окрестности городка Золенгофен в Германии) - с отпечатками рыб, водорослей, стрекозы, водяного паука, долгохвостых раков, рака-мечехвоста, моллюсков.

Основателем и первым научным руководителем музея, открытого в 1926 году, был профессор В.А. Хахлов, который возглавил впоследствии созданную им школу палеоботаников. В собрания открывшегося музея вошли все поступившие ранее в университет палеонтологические коллекции. Дальнейшее накопление уже регионального коллекционного фонда относится ко второму этапу формирования музея и происходило в результате развития геологических работ на территории Сибири. Коллекции В.А. Хахлова в основном флоры карбона и перми из угленосных бассейнов Сибири описаны в многочисленных статьях и монографиях. Но эти коллекции настолько обширны, что изучение их с использованием новейших методик продолжают Л.И. Быстрицкая, заведующая музеем Л.Г. Пороховниченко, а также аспирантка Я.А. Зябкина. Они пополняют фонды музея и собственными сборами по каменноугольной и пермской флоре.

Гордостью музея является одна из лучших в мире коллекция первых наземных растений - "псилофитов", собранная в девонских межгорных впадинах на юге Сибири профессором А.Р. Ананьевым и его учеником Л.И. Быстрицким. Эта коллекция частично опубликована с изображением характерных видов растений в работах А.Р. Ананьева, но предстоит большая работа по ее дальнейшей систематизации и монографическому описанию.

Каменноугольные плауновидные растения Сибири, представляющие также значительную часть палеоботанической коллекции, монографически описал В.А. Ананьев. Многочисленные юрские растения из керна скважин Западно-Сибирской равнины, а также из разрезов Кузбасса изучает Л.И. Быстрицкая. В 2001 году научной общественности был представлен первый атлас юрской флоры Западной Сибири. Все указанные коллекции растений сосредоточены в созданном В.М. Подобиной в 1997 году палеботаническом отделе музея, который расположен в соседнем с демонстрационным залом помещении. М.Г. Горбунов много лет занимался западносибирской широколиственной флорой, произраставшей здесь до начала оледенения. Собиралась эта флора из многих местонахождений в основном на территории Томской области. Красочно выполненные разрезы всех местонахождений покрытосеменных растений совместно с несколькими выставленными их отпечатками являются украшением демонстрационного зала музея и представляют ценный материал для научных исследований.

Палеозоологические коллекции также разнообразны по систематическому составу. Наиболее значимыми являются коллекции кораллов-ругоз В.А. Ивании, палеозойских мшанок - А.М. Ярошинской, строматопорат - С.Н. Макаренко, расположенные в отдельных витринах. Кроме этих коллекций в музее хранятся разновозрастные беспозвоночные: брахиоподы, рыбы, аммониты, трилобиты и многие другие ископаемые, представляющие не только демонстрационный, но и научный интерес.

В конце 60-х годов XX века в связи с расширением нефтегазопоисковых работ в Западной Сибири развиваются микропалеонтологические исследования, и под руководством профессора В.М. Подобиной создается в 1968 году лаборатория микропалеонтологии. Формируются коллекции по разным группам микрофауны - разновозрастным фораминиферам, радиоляриям, остракодам, конодонтам, представляющих в настоящее время ценный фактический материал из сотен пробуренных в этом регионе скважин и описанные в многочисленных статьях и монографиях. Для хранения типовых экземпляров при музее создан микропалеонтологический отдел.

С 1990-го года научное руководство музея осуществляет профессор В.М. Подобина. Этот год можно считать началом третьего этапа в развитии музея. Кроме традиционных научных направлений (палеоботанического, изучения морских беспозвоночных и микрофаунистического) были созданы новые направления - изучение мамонтовой фауны и меловых динозавров. Это дало возможность в течение 8 лет (с 1995 по 2002 год) создать новые экспозиции в музее, состоящие из реконструированных скелетов основных представителей мамонтовой фауны - ископаемых бизона, мамонта и шерстистого носорога, выполненные А.В. Шпанским. Наиболее ценные фрагменты - черепа, челюсти с зубами мамонтов и мамонтят, черепа и фрагменты скелетов шерстистых носорогов, бизонов, лошадей, трогонтериевых слонов, оленей, пещерных медведя и льва, сайгака и многих других также выставлены в специально оборудованных витринах и подставках демонстрационного зала музея. Однако большая часть скелетных остатков мамонтовой фауны сосредоточена в монографическом отделе музея, созданном в подвальном помещении. Сенсацией стали находки на юго-востоке Западной Сибири у пос. Шестаково в 1998 году А.В. Воронкевичем двух целых скелетов раннемеловых пситтакозавров. С 2000 года эти скелеты хранятся в музее в специально оборудованном саркофаге, сохраняя естественное положение в монолите породы.

Ближайшие задачи музея - продолжить издание каталогов монографических коллекций; обработка и пополнение новыми коллекциями, собранными во время ежегодных полевых экспедиций и в результате обработки кернового материала (извлечение микрообъектов), присылаемого нефтеразведочными экспедициями Западной Сибири; создание компьютерной базы данных по имеющимися коллекциям; дальнейшее оформление библиотеки музея, монтировка отдельных фрагментов скелетов, создание новых экспозиций по раннемеловым динозаврам и млекопитающим новой "динозавровой провинции" Западной Сибири и публикация научных достижений в виде статей и монографий.