La sala de paleontología acoge una variada e importante colección de finales del Terciario e inicios del Cuaternario (5-1 millones de años antes de nuestra era), fruto sobre todo de las excavaciones paleontológicas que lleva a cabo en la comarca el Instituto de Paleontología de Cataluña desde el año 1980 en el yacimiento de Incarcal (Crespià) y de los hallazgos de los años 50-70 del siglo XX recogidas en el museo (terreras de Cornellà del Terri, Bóbila Ordis).
De todo el conjunto vale la pena destacar los mastodontes, rinocerontes, ciervos y caballos pequeños (Terciario final, 5-3 millones antes de nuestra era) de Cornellà del Terri y la magnífica serie de carnívoros (tigres con dientes de sable, hienas) y de herbívoros (elefantes, hipopótamos, ciervos gigantes, caballos) de la Bóbila Ordis y de Incarcal (Cuaternario inicial, 1,3-0,75 millones de años antes de nuestra era).
En el yacimiento de Incarcal, gracias a una excavación cuidadosa, se han recuperado algunos restos muy poco comunes en estos periodos tan remotos, así como numerosas nueces y una araña.