Экспозиция знакомит посетителей с представителями животного мира, обитавшими на территории Астраханской области более 300 тысяч лет назад. В те далекие времена юг России населяли мамонты, бизоны, волосатые носороги, гигантские олени, а также пещерные гиены, лемминги. В палеонтологическом собрании большое место занимает коллекция зубов древних животных. На выставке представлены муляжи некоторых представителей четвертичной фауны.

Наиболее интересным в палеонтологическом плане на территории Астраханской области являются Черноярский, Енотаевский и Ахтубинский районы. Самые древние геологические слои в регионе расположены в окрестностях озера Баскунчак – пермские гипсы, триасовые песчаники, меловые отложения балки Ак-Джар. Триасовые породы горы Большое Богдо изобилуют окаменелыми древними двустворчатыми моллюсками, спиральнозавитыми аммонитами. Иногда попадаются окаменевшие кости и отпечатки костей лабиринтодонтов – древних вымерших животных, ведших околоводный образ жизни.