Het museum, dat in het tweede decennium van de negentiende eeuw werd opgericht als Kabinet voor Natuurlijke Geschiedenis, heeft in werkelijkheid nog oudere wortels, aangezien de eerste verzameling van natuurhistorische vondsten die de Universiteit van Modena bereikte, dateert van de nalatenschap van de bisschop van Modena Giuseppe Maria Fogliani (1786) van zijn eigen collectie aan het Rectoraat.

Het belangrijkste deel van het museumbezit is echter ontstaan in de tweede helft van de negentiende eeuw dankzij enkele belangrijke donaties. De tentoonstelling toont voornamelijk fossielen van dieren, gewervelden en ongewervelden, maar ook fossielen van planten zijn aanwezig.

Het museum is verspreid over drie locaties: de hoofdvestiging van het Departement, in via dell'Università, herbergt de collecties van ongewervelden en fossiele planten, evenals de onderwijs- en onderzoeksactiviteiten; in via Berengario 14, de voormalige locatie van het Anatomisch Museum, bevinden zich de Dinozaal en de collecties van fossiele gewervelden; terwijl in het Foro Boario de locatie is waar de tentoonstellingen van het Departement worden opgezet.

Fossielen uit de formatie van het Neogeen in de Toscaans-Emiliaanse Apennijnen vormen het meest omvangrijke deel van het erfgoed en zijn te danken aan het onderzoek van verschillende paleontologiedocenten van de Universiteit van Modena en naturalisten van het kaliber van Pietro Doderlein en Dante Pantanelli. Onder hen zijn de overblijfselen van zeereptielen uit het Krijt en het Mesozoïcum van bijzonder belang.

Een deel van het skelet van een vinvis die ongeveer dertig jaar geleden werd opgegraven, completeert de reeks lokale fossielen van pelagische oorsprong. In 1926 verwierf het museum de malacologische verzameling Coppi, met exemplaren die ook afkomstig zijn uit de Modenese Apennijnen. In 1946 arriveerden de fossielen Bentivoglio (planten uit het Boven-Carboon) en later de collecties Montanaro Gallitelli (fossielen uit alle delen van de wereld).

In de jaren zestig werden skeletten van een Camptosaurus en een Allosaurus uit de vindplaatsen in Utah verworven, die samen met een perfect bewaard gebleven Ichthyosaurus uit het Onder-Jura (West-Duitsland), een schenking van de Fondazione Ligabue, pronken in de 'Dinozaal'.

Opmerkelijk is ook de collectie van oceanische vissen en fossiele palmen afkomstig uit de beroemde vindplaats Bolca, in het gebied van Verona. De collecties van microfossielen zijn ook zeer rijk, met name de collectie Di Napoli, een van de grondleggers van de moderne discipline van de micropaleontologie.