Depuis quand ? Le laboratoire possède des objets ayant figuré dans le cabinet de curiosités d'histoire naturelle du roi Louis XIII. Il recèle, en outre, les fossiles du gypse de Montmartre étudiés par Georges Cuvier, un nombre important de spécimens historiques récoltés au XVIII^e siècle et, notamment, les premiers vertébrés fossiles récoltés sur le territoire nord-américain en 1739, ainsi que les spécimens décrits par Georges Louis Buffon dans son Histoire de la Terre.
Quoi ? Les collections de Paléontologie rassemblent plus de 2,7 millions de spécimens provenant du monde entier. On distingue notamment la collection de vertébrés (300 000 spécimens de mammifères, reptiles, oiseaux et poissons) ; la collection d'invertébrés (environ 2,5 millions de spécimens), particulièrement riche en mollusques tertiaires de France (Bassin parisien) et d'Europe ; la collection de Paléobotanique qui comprend plus de 200 000 exemplaires de plantes fossiles (empreintes de feuilles et de frondes, bois fossiles et graines, etc.); enfin, la collection de Micropaléontologie, qui compte plus de 30 000 lames répertoriées de foraminifères (c'est-à-dire de restes de plancton).
Comment ? Tous les fossiles sont conservés à sec.
Où ? Une partie des collections est présentée au public dans la galerie de Paléontologie et dans la galerie de Paléobotanique, l'autre étant réservée à l'usage des scientifiques.

Un fossile est une trace d'un organisme disparu... Il peut être d'origine humaine, animale ou végétale : on peut retrouver l'organisme entier (insecte, plante), ses parties dures ou de simples restes (une feuille, un bout d'os, une dent). À leur mort, la plupart des organismes se décomposent ou sont mangés par des nécrophages. Pour que le processus de fossilisation puisse avoir lieu, il faut un enfouissement rapide sous les sédiments, ce qui permet la préservation. Peu à peu, la matière originelle (os, coquille, bois, etc.) se minéralise, c'est-à-dire se transforme en pierre. Généralement, cette transformation prend... des millions d'années !
Par extension, les traces de phénomènes physiques comme la pluie, les clapotis de plages, voire les traces laissées par le flux et le reflux des marées ou des courants, sont considérées comme des fossiles et aident à reconstituer le milieu de vie.

La paléontologie, qui est l'étude des fossiles, conduit non seulement à comprendre l'évolution de la vie au cours des âges, mais retrace également l'histoire de la planète en datant les couches sédimentaires. Les fossiles du laboratoire de Paléontologie apportent donc un fabuleux témoignage de la vie passée, végétale et animale. Les collections sont disponibles pour la recherche fondamentale en taxinomie, anatomie comparée, systématique et en phylogénie, mais aussi pour la recherche appliquée (cartographie géologique, datation, référentiels stratigraphiques, industrie pétrolière, etc.).