Le collezioni paletnologiche e paleontologiche hanno origine dalla collezione Regnoli, medico pisano che nel 1867 effettuò i primi scavi relativi alla preistoria nelle grotte della Versilia e del monte Pisano. A queste si sono aggiunti nel tempo materiali provenienti da scavi in varie regioni italiane, che vanno dal Paleolitico all'età del Bronzo. Inoltre vi sono calchi di opere d'arte preistorica e una cospicua collezione di resti faunistici rinvenuti durante gli scavi e necessari alla ricostruzione degli ambienti e dei tipi di economia del passato.