L’area espositiva del museo è suddivisa in due percorsi, uno paleontologico e uno geomineralogico, ai quali si affianca una piccola sezione dedicata alla paleoantropologia.

La sezione di paleontologia comprende numerosi fossili rinvenuti nella zona di Vignola, come la mandibola di tapiro (unica in Italia per completezza), i resti di una balena, numerosi molluschi, crostacei, ma che da altre località, come ad esempio la Collezione Bertarelli, donata nel 1991 e comprendente circa 12.000 reperti del Pliocene marino della Toscana. Di grande valore scientifico sono anche i resti di ittiosauro, il crostaceo Coleia appenninica, una vertebra di squalo, e altri esemplari risalenti al Cretaceo.

La sezione di geomineralogia ospita campioni di roccia suddivisi per genesi (sedimentaria, magmatica e metamorfica). Fra i campioni più spettacolari vi sono quarzi, septarie e numerosi minerali legati alle rocce ofiolitiche. Il percorso geomineralogico comprende anche una sezione riguardante le risorse minerarie della zona e i loro usi.

All’interno del Museo è presente una biblioteca contenente numerosi testi scientifici, principalmente ad argomento geologico, frutto di donazioni e collaborazioni con altri enti.