Количество музейных предметов коллекции «Палеонтология» составляет 95 единиц хранения. Основная часть коллекции — это случайные находки, которые переданы в музей местными жителями.
Большая часть коллекции (44 ед. хр.) представлена костями мамонта и их фрагментами. Уникальными являются верхняя и нижняя челюсти мамонта, найденные в д. Мало-Удалово в 2001 году, возраст которых 38 тысяч лет. Самый крупный фрагмент мамонта (верхняя часть черепа с зубами и фрагментами бивней) был обнаружен 2006 году спасателями Ишимского отряда МЧС в реке Ишим в Синицынском бору. Судя по 300-килограммовому весу и длине 180 см, это скелет взрослого животного. Находку пришлось сплавлять сотрудникам Тюменской службы экстренного реагирования по реке на катерах до краеведческого музея.
Другую часть музейной коллекции составляют остатки млекопитающих четвертичного периода — это бизоны (5 фрагментов черепа бизона); древние лошади — 15 единиц хранения, из них две пары нижних и верхних челюстей древней лошади.
Немногочисленны в коллекции костные остатки шерстистого носорога (11 ед. хр.). Среди них два фрагмента черепа. Интересным экспонатом является плечевая кость эмбриона шерстистого носорога.
Среди предметов палеонтологии имеются редкие и интересные образцы из Северного Казахстана — это окаменелые раковины гастроподы и брахиоподы, которые были найдены в 1994 году на реке Аят (после наводнения) с. Тарановское, Кустанайская область.
