È la sezione più vasta del museo, in cui sono conservati entro scatoline migliaia di fossili, rocce e minerali, disposti nelle vetrine secondo l'ordinamento stratigrafico conferito da Giuseppe Scarabelli nel secolo XIX, solo leggermente modificato da Domenico Sangiorgi negli anni 1930; ogni campione reca il cartellino redatto negli anni '30, che riproduce fedelmente quello ottocentesco, ancora presente all'interno delle scatoline. Il nucleo principale è costituito dalle collezioni di geologia e paleontologia italiane legate all'attività di Scarabelli: si tratta di 5694 campioni di rocce e fossili dall'Appennino, dalle Alpi e dalle isole, ancora suddivisi per giacimenti e aree di provenienza. Sono inoltre presenti altre collezioni geologiche e paleontologiche: fossili del bacino di Vienna, del Piemonte, del bacino di Parigi, fossili e minerali di zolfo dalla Sicilia, minerali, fossili e pietre dure dalla Russia, collezione di marmi e pietre dure, collezione di rocce e fossili di R. Tozzoli. .