Fundado en la segunda década del siglo XIX como Gabinete de Historia Natural, el museo tiene en realidad raíces aún más antiguas, ya que la primera colección de hallazgos naturalistas que llegó a la Universidad de Módena se remonta al legado del obispo de Módena Giuseppe Maria Fogliani (1786) de su colección al Rectorado.

La parte más relevante del patrimonio museístico se constituyó, sin embargo, en la segunda mitad del siglo XIX gracias a algunas importantes donaciones. La exposición exhibe en su mayoría fósiles animales, vertebrados e invertebrados, pero no faltan restos vegetales.

El museo está ubicado en tres sedes: la sede principal del Departamento, en via dell'Università, alberga las colecciones de invertebrados y vegetales fósiles, además de las actividades didácticas y de investigación; en via Berengario 14, antigua sede del Museo de Anatomía, se encuentran la Sala de los Dinosaurios y las colecciones de vertebrados fósiles; mientras que en el Foro Boario se encuentra la sede de montaje de las exposiciones del Departamento.

Los testimonios procedentes de las formaciones del Neógeno del Apenino tosco-emiliano representan el segmento patrimonial más consistente y se deben a la actividad de investigación de diversos profesores de paleontología de la universidad modenesa y naturalistas de la talla de Pietro Doderlein y Dante Pantanelli. Entre ellos, por su interés, merecen mención los restos de reptiles marinos del Cretácico y del Mesozoico.

Parte del esqueleto de una ballena jorobada recuperado hace unos treinta años completa la serie de fósiles locales de origen pelágico. En 1926 el museo adquirió la colección malacológica Coppi, con ejemplares también originarios del Apenino modenés. En 1946 llegaron los fósiles Bentivoglio (vegetales del Carbonífero superior) y posteriormente las colecciones Montanaro Gallitelli (fósiles de todas partes del mundo).

En los años sesenta se adquirieron esqueletos de un Camptosaurio y un Alosaurio de los yacimientos de Utah, que, junto a un Ictiosaurio del Jurásico inferior (Alemania occidental) perfectamente conservado y recibido como donación de la Fundación Ligabue, campean en la "Sala de los Dinosaurios".

Notable también la colección de peces oceánicos y palmeras fósiles originaria del célebre depósito de Bolca, en el territorio veronés. También son muy ricas las colecciones de microfósiles, en particular, la colección Di Napoli, uno de los fundadores de la moderna disciplina de la micropaleontología.