Constituyen el grupo más numeroso de los seres que han poblado la Tierra en el transcurso de los tiempos geológicos. Su estado de conservación es a veces muy precario, pues muchos de ellos sólo han dejado restos de sus partes duras; otros nos ofrecen huellas de sus partes blandas; y en casos excepcionales se han podido conservar los más delicados detalles de su estructura.
El museo alberga esta colección en la planta alta. La exposición muestra los grupos de invertebrados más frecuentes en el registro fósil ordenados sistemáticamente.
Se exponen fósiles seleccionados de graptolitos, cnidarios, artrópodos, moluscos, briozoos, braquiópodos, equinodermos, el fósil vegetal de la primitiva planta vascular Cooksonia, que constituye la primera evidencia que ubica la época en que aparecieron las plantas terrestres al final del periodo Ordovícico y comienzo del Silúrico, de la era Paleozoica, hace unos 450 a 470 millones de años y huellas fósiles como la Cruziana.
Son especialmente destacables los trilobites, braquiópodos y los graptolitos.
También se muestran ejemplares significativos de fosilización (piritización, formación de moldes, etc.).