Das Museum zeigt in Form einer besonderen Präsentation der Exponate die paläontologische Geschichte Italiens und die Geschichte des Lebens auf der Erde. Beeindruckend die Skelette großer Rüsseltiere, darunter ein Mastodon mit langen Stoßzähnen und einem gedrungenen Körperbau sowie ein vier Meter großer, ausgewachsener Elefant. Auch Skelette von Tieren, die vor Millionen von Jahren in der Toskana lebten, als das Gebiet noch Savanne war, sind ausgestellt: Der Höhlenlöwe, der Leopard, der Säbelzahntiger. Gezeigt werden zudem Knochengerüste von Seekühen, den entfernten Verwandten der Elefanten und Vorfahren der Gabelschwanz- und Rundschwanzseekühe, die heute noch im Atlantik und im Indischen Ozean vorkommen. Ein Saal ist dem Pferd gewidmet, das ursprünglich die Statur eines mittelgroßen Hundes hatte. Ein Exponat von außerordentlichem Wert für die Evolutionsforschung und weltweit einzigartig ist das Skelett des Oreopithecus bambolii, eines anthropomorphen Affen, der vor 9 Millionen Jahren lebte und viele Ähnlichkeiten mit den Hominiden aufweist. Der den Fossilien außereuropäischer Kontinente gewidmete Bereich zeigt Skelette von großen, flugunfähigen Vögeln sowie Exemplare von Ammoniten und anderen fossilen Wirbellosen verschiedener geologischer Epochen. Die Ausstellung schließt mit einem besonders fortschrittlichen Wal-Saal, der „Sala della Balena“: Ein Unterwasserraum, in dem der Besucher „auf dem Meeresgrund“ entlang eines 10 m langen Skeletts eines Furchenwals spazieren kann, der vor drei Millionen Jahren lebte.