Il museo raccoglie circa 1600 reperti: rocce, fossili vegetali e fossili animali, provenienti quasi esclusivamente dal antico bacino lacustre preistorico del Valdarno, e di età compresa fra il Pliocene superiore e il Pleistocene inferiore. Il primo nucleo di fossili si costituì nel 1809 presso il convento dei Frati Minori di Figline Valdarno ad opera del monaco vallombrosano padre Molinari.

La collezione venne in seguito incrementata e trovò una definitiva sistemazione a Montevarchi nel 1819, dove fu riordinata da Georges Cuvier, naturalista francese fondatore della moderna paleontologia, autore di numerosi e importanti studi sui fossili del Valdarno (come attesta la lapide marmorea all'ingresso del museo).