La sala de paleontologia acull una variada i important col·lecció de finals del Terciari i d’inicis del Quaternari (5-1 milions d’anys abans d’ara), producte sobretot de les excavacions paleontològiques que duu a terme a la comarca l’Institut de Paleontologia de Catalunya des de l’any 1980 al jaciment d’Incarcal (Crespià) i de les troballes dels anys 50-70 del segle XX recollides al museu (terreres de Cornellà del Terri, Bòbila Ordis).
De tot el conjunt val la pena destacar els mastodonts, rinoceronts, cérvols i cavalls petits (Terciari final, 5-3 milions abans d’ara) de Cornellà del Terri i la magnífica sèrie de carnívors (tigres amb dents de sabre, hienes) i d’herbívors (elefants, hipopòtams, cérvols gegants, cavalls) de la Bòbila Ordis i d’Incarcal (Quaternari inicial, 1,3-0,75 milions d’anys abans d’ara).
En el jaciment d’Incarcal, gràcies a una excavació acurada, s’han recuperat algunes restes molt poc comunes en aquests períodes tan remots, com nombroses nous i una aranya.