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 detalles más delicados 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.
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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 se detectaron las plantas terrestres al final del periodo Ordovícico y comienzo del Silúrico, de la era Paleozoica, hace unos 450 a 4700 años de años y millones de huellas fósiles como la Cruziana.
El Valle de Tarija es en un depósito que ha permitido la conservación de restos hasta nuestros días y pretende representar la fase final de la última glaciación.
Es bueno anotar que nuestro territorio posee muchisimas e importantes áreas para investigaciones cientificas y su testimonio mas elocuente de su remoto pasado son los fosiles que pueden encontrarse a lo largo y ancho de su extenso depósito Cuaternario y en las serranías que circundan et Valle de Tarija con registrus de fósiles Invertebrados del Paleozoico (Inferior a Media) con niveles fosiliferos del Ordovicico como trilobites graptolites, braquitipodos, bivalvas, cruziarnas y lingulas En el Silurico se pueden encontrar fosiles como la Cooksania caledónica. Pataronello sp y Dualina sp. En rocas del Devónico se registran fósiles como los bivalvos, braquiapados, gastropodos, conularios corales y otros los mismos que se exhiben en la sala de Invertebrados.
La Cuenca de Tanja contiene en sus sedimentos restos de Mamíferos muy famosos en el mundo por la variedad de especímenes clasificados, se trata de un material que consiste principalmente de hueses de Mamíferos fósiles que pertenecieron a una fauna común de la región tropical Sudamericana y cuyos representantes como los Glyptodontes (relacionados lejanamente con los quirquinchos armadillos y tatus); la familia Exquidae (o sea anemales emparentados con los actuales caballos) Las Lamas osos cerbidos, el Megatherium. Escelidoterio. Lestodon, Glossotherium (del tipo de los actuales perezosos pero de mayor porte): la Macrauchenia (grande auchenido) el Smilodon o Tiere dientes de sable, gatos el Toxodon: los tapirusi el Hidrochoerus a Capibara: tos Proboscideos (que comprenden los clásicos mastodontes, animales emparentados con los actuales elefantes) todos se extinguieron.