Открытие Палеонтологического музея в 1937 году было приурочено к 17 сессии Геологического конгресса. На тот момент площадь музея составляла всего 700 кв. м. Во время Великой Отечественной войны музей закрыли и большую часть экспозиции перевезли а Алма-Ату. В 1944 году он вновь вернулся в столицу, но через 10 лет, из-за нехватки места был закрыт, к большому сожалению посетителей и сотрудников. И, наконец, 1987 году он принял первых посетителей в новом здании, построенном специально для огромной коллекции музея.
Музей занимает огромную территорию, на которой располагаются 6 основных залов, разделенных по разным временным периодам. Первый зал - вводный, дающий общее представление об истории палеонтологии. Во втором вы найдете ранний палеозой - первых беспозвоночных животных и растения. Третий зал посвящен Московскому региону и его геологии. Четвертый зал рассказывает историю позднего палеозоя и начала мезозоя - эволюция позвоночных животных и образуемые ими сообщества. В следующем зале представлен мезозой - динозавры и их современники. И, наконец, последний зал, посвященный кайнозою, истории основных классов млекопитающих.
Двери музея открыты ежедневно, кроме понедельника и вторника. На территории имеется научная библиотека, экспертные мастерские, а так же работает реставрационная группа. Фотосъемка в музее разрешена и абсолютно бесплатна.