Il museo venne fondato nel 1861 da Gaetano Giorgio Gemmellaro (1832-1904), che lo diresse fino a 1904, quando morì. Il Gemmellaro creò la prima collezione universitaria, nella sede del Gabinetto di Storia Naturale, presso la casa dei Padri Teatini in via Maqueda (oggi sede della Facoltà di Giurisprudenza).

- Sala Enzo Burgio
Situata al piano terra, ospita collezioni che illustrano la storia geologica della Sicilia. I reperti spaziano dal Permiano, con i resti di una scogliera corallina provenienti dalla Valle del Sosio, all'era mesozoica, con resti fossili tra cui spicca una ricca collezione di Ammoniti, all'era cenozoica, testimoniata tra l'altro da una collezione di denti di squalo di notevoli dimensioni, per arrivare al quaternario, con una collezione di fossili rappresentativi della fauna di Monte Pellegrino.

- Sala dell'uomo
Ospita le testimonianze della prima presenza umana in Sicilia ed in particolare i resti fossili di "Thea", una donna vissuta nel Paleolitico superiore, il cui scheletro fu rinvenuto nella Grotta di San Teodoro.
La sala degli elefanti

- Sala dei cristalli
Vi sono raccolti notevoli esemplari di cristalli di calcite, aragonite, celestina, gesso, salgemma e zolfo, la maggior parte dei quali risalenti al Messiniano (cosiddetta Serie gessoso-solfifera), allorquando i collegamenti tra l'Atlantico e il Mediterraneo si interruppero e quest'ultimo si trasformò in un grande lago salato.

- Sala degli elefanti
La sala ospita numerosi reperti relativi agli elefanti nani che popolarono la Sicilia durante il Pleistocene medio-superiore, tra cui un esemplare completo di Elephas mnaidriensis.