Das im zweiten Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts als Naturhistorisches Kabinett gegründete Museum hat in Wirklichkeit noch ältere Wurzeln, da die erste Sammlung naturkundlicher Fundstücke, die an die Universität Modena gelangte, auf die Vermächtnis des Bischofs von Modena Giuseppe Maria Fogliani (1786) seiner eigenen Sammlung an das Rektorat zurückgeht.

Der bedeutendste Teil des Museumsguts entstand jedoch in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts durch einige bedeutende Spenden. Die Ausstellung zeigt größtenteils Tierfossilien, Wirbeltiere und Wirbellose, aber es fehlen auch Pflanzenreste nicht.

Das Museum ist an drei Standorten untergebracht: Der Hauptstandort des Departements in der Via dell'Università beherbergt die Sammlungen von Wirbellosen und fossilen Pflanzen sowie die Lehr- und Forschungsaktivitäten; in der Via Berengario 14, dem ehemaligen Sitz des Anatomischen Museums, befinden sich der Dinosauriersaal und die Sammlungen fossiler Wirbeltiere; im Foro Boario befindet sich der Ausstellungsort des Departements.

Zeugnisse aus den Formationen des Neogens des toskanisch-emilianischen Apennins stellen den umfangreichsten Teil des Kulturerbes dar und sind auf die Forschungsaktivitäten verschiedener Paläontologieprofessoren der Universität Modena und Naturforscher wie Pietro Doderlein und Dante Pantanelli zurückzuführen. Unter diesen verdienen die Überreste von Meeressauriern aus der Kreidezeit und dem Mesozoikum aufgrund ihres Interesses Erwähnung.

Ein Teil des Skeletts eines Zwergwals, das vor etwa dreißig Jahren geborgen wurde, vervollständigt die Reihe der lokalen Fossilien pelagischen Ursprungs. 1926 erwarb das Museum die malacologische Sammlung Coppi mit Exemplaren, die ebenfalls aus dem modenesischen Apennin stammen. 1946 trafen die Bentivoglio-Fossilien (Pflanzen aus dem Oberkarbon) ein und später die Sammlungen Montanaro Gallitelli (Fossilien aus aller Welt).

In den 1960er Jahren wurden Skelette eines Camptosaurus und eines Allosaurus aus den Fundstätten in Utah erworben, die zusammen mit einem perfekt erhaltenen Ichthyosaurus aus dem Unterjura (Westdeutschland), der als Geschenk der Stiftung Ligabue erhalten wurde, im „Dinosauriersaal“ ausgestellt sind.

Bemerkenswert ist auch die Sammlung von ozeanischen Fischen und fossilen Palmen, die aus der berühmten Lagerstätte von Bolca im Gebiet von Verona stammt. Auch die Sammlungen von Mikrofossilien sind sehr reich, insbesondere die Sammlung Di Napoli, einer der Begründer der modernen Disziplin der Mikropaläontologie.