El Museo, mediante una adecuada disposición de las piezas, ilustra la historia paleontológica de Italia y la historia de la vida en la Tierra. De gran impacto son los esqueletos de grandes proboscídeos, entre los cuales un mastodonte de largos colmillos y de complexión baja y gruesa, y un gran elefante adulto alto cuatro metros. Expuestos también los esqueletos de animales que vivieron hace millones de años en Toscana, cuando el territorio era una sabana: el león de las cavernas, el leopardo, el tigre de dientes de sable. También exhibidos los esqueletos de sirenios, lejanos parientes de los elefantes y padres de los Dugónguidos y de los Manatís todavía presentes en el Océano Atlántico y en el Índico. Toda una sala está dedicada al caballo que originalmente tenía el tamaño de un perro de mediana estatura, mientras que un espécimen de extraordinario valor para el estudio de la evolución y único en el mundo es el esqueleto del Oreopithecus bambolii, un mono antropomorfo que vivió hace 9 millones de años y que tiene muchas similitudes con los homínidos. Para la parte dedicada a los fósiles de los continentes extraeuropeos hay esqueletos de grandes aves no voladoras, ejemplares de amonites y otros invertebrados fósiles de las diversas eras geológicas. Cierra la exposición la modernísima “Sala de la ballena”, un espacio inmersivo en el que el visitante puede caminar ‘sobre el fondo del mar’, al lado del esqueleto de 10 metros de longitud de un cetáceo que vivió hace tres millones de años.