
Le sezioni di Paleontologia, Mineralogia e Petrografia sono ancora oggi rappresentate da collezioni di carattere tematico generale di formazione ormai lontana nel tempo. Nonostante ciò, queste collezioni appaiono nel complesso abbastanza ricche e rappresentative.
Ad un primo nucleo costituito da una piccola raccolta di minerali, donata attorno alla metà del '700 dal canonico Antonio Marescotti, si aggiunsero sotto la direzione del Gardini molti materiali frutto di donazioni ben più cospicue.
Tra queste va segnalata in particolare per entità e importanza scientifica la collezione di fossili pleistocenici di Monte Mario (Roma) donata da Angelo Conti nel 1870: benché malauguratamente smembrata, in seguito, tra diversi istituti italiani ed esteri, essa è ancora oggi costituita da circa 15.000 reperti, prevalentemente di Molluschi. Gardini integrò inoltre i materiali pertinenti alle scienze della Terra con acquisti e scambi, formando una raccolta concettualmente molto interessante di minerali, rocce e fossili in cui erano particolarmente evidenziate le loro applicazioni nei vari campi dell'economia umana.

Purtroppo lo stillicidio di manomissioni, scambi e prestiti mal documentati verificatisi nel corso degli anni ha portato alla dispersione di molti materiali, compromettendo soprattutto il valore di testimonianza storica delle collezioni, che comunque annoverano tuttora pezzi di notevole pregio come la serie di piante e pesci fossili di Bolca o vetrine di un certo impatto estetico come quella dedicata ai minerali fluorescenti.
La loro ricomposizione con criteri prevalentemente didattici avvenne nel secondo dopoguerra ad opera di Mario F. Canella, al quale si deve anche un significativo incremento di pezzi di grande rilievo museografico quali i calchi dello scheletro di Plesiosauro (Thaumatosaurus victor) e del cranio di Tirannosauro (Tyrannosaurus rex) ed i modelli dei crani di Ominidi fossili.

Per il loro carattere essenzialmente didattico, le raccolte pertinenti alle scienze della Terra sono quasi integralmente esposte al pubblico.
Acquisizioni recenti per acquisti o donazioni (esclusa ricerca)
Dalla fine degli anni Ottanta del Novecento si è avuta una ripresa delle acquisizioni di collezioni, per donazioni o per acquisti, in aggiunta alle collezioni derivanti dall'attività di ricerca del Museo.
In totale, si sono aggiunti circa 3500 pezzi fossili provenienti da Emilia-Romagna, Veneto e Piemonte e alcune decine di interessanti minerali.
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