Палеонтологическая коллекция Дарвиновского музея насчитывает около 100 тысяч образцов. Как самостоятельная единица она начала формироваться в 1970-е и состоит в основном из материалов, собранных известными исследователями и коллекционерами — А. А. Эрлангером, Л. С. Гликманом, М. А. Ахметьевым, Р. Ф. Геккером, П. В. Александровым, В. С. Плотниковым, В. В. Меннером, Н. В. Покровской, Г. Н. Садовниковым, а также отдельных образцов других коллекторов. В ней представлены все основные группы органического мира — от сине-зеленых «водорослей» до представителей мамонтовой фауны.
Фрагмент скелета костистой рыбы — интересный экспонат. Ископаемые находки животных из мелководных лагунных или озерных отложений обычно отличаются лучшей сохранностью от захороненных в бассейнах рек или морей, где остатки организмов непременно подвергаются разобщающему действию водных потоков. Иногда такие находки несут свидетельства куда более важные, чем те, благодаря которым известны древние обитатели нашей планеты. Они позволяют судить о характере взаимоотношений животных прошлого.
В 1990 во время изучения пермских отложений ученые обнаружили ископаемых лучеперых рыб палеонисков и, в частности, вида Platisomus biarmicus, впервые описанного еще в середине XIX века. Новые находки преподнесли сюрпризы — несколько экземпляров явно были покусаны неизвестным хищником. Об этом говорили необычные очертания частично утраченных скелетов и покровов рыб, складывалось впечатление, будто они вырезаны, словно по лекалу, в то время как сохранившиеся части оставались в прекрасном состоянии. Для того чтобы найти виновника гибели платисомусов, необходимо было сравнить очертания отсутствующих частей и форму челюстей хищников, обитавших в водах этой лагуны. Им оказался мелозавр Melosaurus uralensis — древнее земноводное, охотно питавшееся палеонисками. Эту точку зрения подтвердили и обнаруженные там же копролиты — окаменевшие экскременты мелозавра, в значительной степени состоящие из чешуи платисомусов.
Существует ли дар научного предвидения? Безусловно! Блестящим примером тому служит открытие, сделанное русским ученым-геологом Владимиром Прохоровичем Амалицким (1860–1917). Исследуя в своем в кабинете раковины древних двустворчатых моллюсков, привезенные с Европейского Севера, Владимир Прохорович обнаружил, что они удивительно похожи на те, что встречались в Африке. Амалицкий предположил, что и остальная фауна должна быть сходной. Напрашивался вывод, что когда-то Африка и Евразия являлись единым континентом, населенным родственными животными. В 1885–1887 ученый на свои средства обследовал бассейны рек Сухоны, Вытегры и Северной Двины. До него здесь побывали три экспедиции и назвали эти места «великим геологическим безмолвием». Владимиру Прохоровичу повезло больше — была собрана показательная коллекция, включающая ископаемые остатки рептилий и растений, сходных с африканскими, доказывающая его правоту. Тесное родство российской пермской и южноафриканской фауны стало абсолютно очевидным.
С 1898 до 1914 в Архангельской губернии, близ города Котлас, на высоком берегу реки Малая Северная Двина, проводились масштабные раскопки под руководством Амалицкого. За это время из земли было извлечено более двухсот тонн конкреций, содержащих ископаемые остатки животных, обитавших на Земле около двухсот пятидесяти миллионов лет назад. Ни до, ни после этого раскопки подобного масштаба в России не проводились. Для извлечения скелетов из породы в Варшаве создали препараторскую палеонтологическую лабораторию, на работу в которую пригласили камнетесов, поскольку квалифицированных специалистов в России не было. Первый скелет отпрепарировали за 2,5 месяца, и 28 декабря 1900 в Геологическом кабинете Петербургского университета состоялся торжественный показ, в нем принимали участие профессора, репортеры и даже светская публика.
«Глазам присутствующих предстал скелет огромного допотопного животного с массивными, неуклюжими костями, с безобразной головой и челюстями, усеянными страшными зубами… Зала дрогнула от аплодисментов» — так описал скелет парейазавра репортер Александр Чехов, брат известного писателя. До находок Амалицкого считалось, что парейазавры обитали только в Африке.
В Дарвиновском музее находится слепок знаменитого парейазавра. Подлинник хранится в Палеонтологическом институте им. А. А. Борисяка РАН.
В 1927 в каменоломне близ деревни Чжоукоудянь (50 км от современного Пекина) шведский геолог Б. Болин нашел коренной зуб ребенка, а английский анатом Давидсон Блэк (1884–1948) определил его принадлежность представителю неизвестного рода древних людей. Он выделил новый род и дал ему название «пекинский синантроп». Находка вызвала огромный интерес в мире науки. В 1929-1930-х китайский ученый Пэй Вэньчжун (1904–1982) обнаружил первых два черепа синантропа (точнее, черепные крышки), Блэк сделал их научное описание. К 1938 было найдено большое количество фрагментов черепов, зубов, а также костей скелета, принадлежавших более сорока различным особям. Судя по строению бедренных костей, синантроп ходил прямо.
Во время Второй мировой войны все ископаемые находки синантропа исчезли, остались только слепки. «Пекинскому человеку» не повезло больше всех. Когда японские войска подходили к Пекину, ящики с окаменелостями в сопровождении морских пехотинцев США были предусмотрительно вывезены на поезде в порт Циньхуандао, где их ждал пароход, но пропали по дороге, бесследно исчезли где-то между вокзалом и портом.
А. Ф. Коте сумел достать несколько слепков, причем самых ранних, они выставлены в экспозиции. Ученый прекрасно понимал, что в сложившейся драматической ситуации с подлинниками ими необходимо дорожить. На основе слепков известным антропологом, археологом и скульптором, доктором исторических наук Михаилом Михайловичем Герасимовым, автором методики восстановления лица по черепу, была создана реконструкция образа синантропа.
Один из самых распространенных видов мамонтовой фауны Евразии — шерстистый носорог (Coelodonta antiquitatis). Его остатки обнаружены на территории от Британских островов на западе до Чукотки и Камчатки на востоке. Шерстистый носорог являлся очень крупным зверем, вторым по величине среди животных мамонтовой фауны Северной Евразии. Он был хорошо приспособлен к холодному и сухому климату позднего плейстоцена: густая, длинная шерсть и очень толстая кожа защищали его от непогоды, длинные и уплощенные передние рога, очевидно, служили для разгребания снега, питался он низкорослой растительностью. Эти звери вели одиночный образ жизни.
Картина-панно из серии «Среда и быт людей палеолита» создана К. К. Флёровым для раздела экспозиции «Происхождение человека». Центральное место на ней занимает изображение шерстистого носорога — одно из лучших в его творчестве. Так достоверно передать характерный ландшафт ледникового периода, оживить его былых обитателей было под силу только художнику-палеонтологу. Благодаря развитому воображению живописец смог представить полную драматизма картину охоты неандертальцев.
Сквозь бурю, утопая в рыхлом снегу, бредут два носорога — мать с детенышем, который по грудь провалился в сугроб. К животным, пользуясь непогодой, осторожно подкрадываются два охотника. Фигуры древних людей написаны в характерной для Флёрова экспрессивной манере. Разворачивается жестокая борьба за существование, выжить в которой сможет сильнейший.
Мамонты — пожалуй, самые известные древние хоботные. Их первые изображения были сделаны еще первобытными художниками. Несколько сотен тысяч лет назад наступила эпоха великих оледенений. Климат на планете очень сильно изменился, а вместе с ним и животный мир. На Земле в то время сформировался фаунистический комплекс, который получил название «мамонтовая фауна». Следует отметить, что В. А. Ватагин неоднократно обращался к изображению мамонтов в графике и живописи. В целом, композиции всех этих произведений одинаковы: ископаемые гиганты надвигаются на зрителя, величественно и неотвратимо. Картина «Мамонты» написана мастером на тему «Дарвинизм и эволюция хоботных животных». «…Строение мамонта рисуется как заключительный этап, последнее звено всей эволюции слонов, последней „веточкой“ на „родословной“ хоботных животных, а не коим образом не предком современного африканского или индийского слонов» — считал А. Ф. Коте.
На этом полотне показаны три мамонта: на первом плане в центре — взрослое животное с большими изогнутыми бивнями, покрытое густой длинной шерстью, справа за ним следуют еще два — один с бивнями, а другой — без. На полотне положение бивней мамонта показано согласно представлениям первой половины XX века. Они направлены вверх и в стороны, а не вниз и навстречу друг другу, как принято считать сейчас.
Скульптура «Кроманьонец с северным оленем» была в составе символической группы «Первобытные люди», созданной В. А. Ватагиным по заказу А.