Elles constituent un outil scientifique et ne se présentent donc pas comme un musée au sens strict avec exposition pour le public, mais un outil de travail indispensable aux scientifiques. Tous les fossiles sont rangés dans des meubles, et ne sont exposés au regard que les objets dont les dimensions sont supérieures à celles des tiroirs. Dans la majorité des cas, il s'agit de spécimens originaux rares ou uniques.
Les collections couvrent une superficie de 1 800 m2 réparties en 13 salles :
Salle
des grands vertébrés fossiles
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Les collections de paléontologie, soit plus de 15 000 tiroirs de fossiles (plus de 11 kilomètres de tiroirs bout à bout - la moitié de la distance Lyon-Vienne) regroupent :
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Ces collections couvrent pratiquement tous les pays du Monde et majoritairement la France avec une répartition stratigraphique étalée depuis le Primaire jusqu'à l'Actuel (plus de 500 millions d'années) et concernent aussi bien le règne animal que le règne végétal. En outre ces collections conservent et valorisent plus de 25 000 référentiels en Paléontologie. Ces référentiels, appelés spécimens types ou figurés constituent en fait les " mètres-étalons " définis par le paléontologue pour décrire toutes les nouvelles espèces découvertes et étudiées. L'appellation, la détermination et la description de nouvelles espèces de fossiles obéissent à des lois très strictes consignées dans les codes internationaux de nomenclature zoologique ou botanique. Tout fossile décrit et publié comme espèce nouvelle par un chercheur prend le statut de référentiel, et selon les lois des codes internationaux, est admis et utilisé par la communauté scientifique internationale en Paléontologie pour nommer d'autres fossiles appartenant à cette espèce.