Paleontoloģijas ekspozīcija stāsta par dzīvības vēsturi uz mūsu planētas no tās rašanās pirmsākumiem līdz mūsu dienām. Zemes dzīles glabā šo seno laikmetu liecības. Tie ir seno augu un dzīvnieku pārakmeņojumi jeb fosilijas, kas saglabājušies iežos. 

 Ekspozīcija veidota, pamatojoties uz Zemes vēstures iedalījumu ērās un periodos. Katra vitrīna ir atsevišķs laika posms Zemes vēstures hronikā.

  Dzīvības pirmsākumi atrodami 3,5 miljardu gadu tālā pagātnē. Kopš Zemes izveidošanās notikusi pakāpeniska planētas virsmas atdzišana – izveidojās ciets ārējais apvalks – Zemes garoza, kā arī jūras un okeāni – dzīvības „šūpulis”. Pašas vienkāršākās dzīvības formas bija vienšūņi. Tie parasti nesaglabājas, bet ir zināmi netieši to eksistences pierādījumi: apskatāms oglekļa minerāls šungīts, kas veidojies no senajiem jūras organismiem. Izplatītāki ir cianobaktēriju jeb zilaļģu veidojumi – stromatolīti.

  Sākoties paleozoja ērai, jau pastāvēja labi attīstīti daudzšūnu organismi, turklāt kopš kembrija perioda dzīvniekiem attīstījās skelets – čaulas un dažādi ķermeņa apvalki, kas to izturības dēļ spējuši saglabāties simtiem miljonu gadu, un tagad apskatāmi vitrīnās. Paleozojam raksturīgi daudzveidīgi jūras iemītnieki – gliemji, brahiopodi, koraļļi, sūkļi, vēžskorpioni u.c.

  Vitrīnas telpas vidusdaļā atvēlētas devona perioda „pasaules valdniecēm” – zivīm. Lielākā daļa eksponēto paraugu atrasti tepat Latvijā iežos, kas veidojušies pirms 360-410 miljoniem gadu. Šie ieži ir plaši izplatīti atsegumos upju ielejās un derīgo izrakteņu ieguves vietās gandrīz visā Latvijas teritorijā. Daudz zinātniski vērtīgu atradumu nāk no Lodes mālu karjera. Ekspozīcijā apskatāmas unikālas bruņuzivju Asterolepis ornata un daivspurzivju Panderichthys fosilijas, no šīs atradnes. No daivspurzivīm devona beigās attīstījās pirmie četrkājainie dzīvnieki. 

 Paleozoja beigās notika aktīva augu valsts evolūcija – jau kopš devona uz Zemes attīstījās meži, kuriem īpaši labvēlīgi klimatiskie apstākļi bija karbona periodā. No tiem laikiem esam mantojuši lielākās akmeņogļu iegulas zemes dzīlēs. Tajā laikā uz Zemes izplatījās abinieki un rāpuļi.

 Mezozoja ēra parasti tiek raksturota kā rāpuļu uzplaukuma laiks, lai gan paralēli tiem attīstījās arī zīdītāji un putni. Juras un krīta periods ir labi pazīstams ar dinozauru lielo daudzveidību. 

 Ne mazāk interesanti ir gliemji – amonīti un belemnīti. Ekspozīcijā apskatāmi arī juras perioda amonīti no Latvijas dienvidrietumu daļas.

 Krīta perioda beigās dažādu apstākļu dēļ daudz sauszemes rāpuļu un dažādu jūras iemītnieku sugas izmirst, un, sākoties kainozoja ērai, attīstās mūsdienās pazīstamās zīdītāju grupas – snuķaiņi, pārnadži, nepārnadži, plēsēji, primāti un daudzi citi.

 Kvartārs ievērojami atšķiras no citiem periodiem. Ziemeļu puslodē ir bijuši vairāki apledojumi, kas mijās ar starpledus laikmetiem. Uz dienvidiem no ledāja izveidojās īpatnēja pieledāja fauna, kas apdzīvoja tagad vairs neesošu dabas zonu - tundras stepi. Vieni no lielākajiem dzīvniekiem bija mamuti un matainie degunradži. Tie bija klāti ar garu vilnu, kas tiem palīdzēja saglabāt siltumu skarbajā klimatā. Šo dzīvnieku atliekas ir atrastas arī Latvijas teritorijā. 

  Pēcledus laikmetā Latvijā ir dzīvojuši ziemeļbrieži, tauri un sumbri, kuru atliekas atrod jaunākajos kvartāra perioda nogulumos. 

 Ledus segas pētījumi polārajos apgabalos sniedz informāciju par dažādiem ģeoloģiskajiem procesiem un klimata izmaiņām kvartāra periodā.