Fundado na segunda década do século XIX como Gabinete de História Natural, o museu tem raízes ainda mais remotas, pois a primeira coleção de artefatos naturalistas que chegou à Universidade de Modena data da doação do bispo de Modena Giuseppe Maria Fogliani (1786) de sua própria coleção para o Reitorado.

A parte mais relevante do patrimônio museal, no entanto, foi constituída na segunda metade do século XIX, graças a algumas importantes doações. A exposição exibe, na maioria, fósseis de animais, vertebrados e invertebrados, mas também não faltam restos vegetais.

O museu está dividido em três locais: a sede principal do Departamento, na Via dell'Università, abriga as coleções de invertebrados e vegetais fósseis, além das atividades didáticas e de pesquisa; na Via Berengario 14, já sede do Museu de Anatomia, estão instaladas a Sala dos Dinossauros e as coleções de vertebrados fósseis; enquanto no Foro Boário fica localizada a sede de montagem das exposições do Departamento.

Testemunhos provenientes das formações do Neógeno do Apenino tosco-emiliano representam o segmento patrimonial mais consistente e são devidos à atividade de pesquisa de vários professores de paleontologia da universidade de Modena e naturalistas do calibre de Pietro Doderlein e Dante Pantanelli. Entre estes, merecem menção, por seu interesse, os restos de répteis marinhos do Cretáceo e do Mesozóico.

Parte do esqueleto de uma baleia jubarte recuperado há cerca de trinta anos completa a série de fósseis locais de origem pelágica. Em 1926, o museu adquiriu a coleção malacológica Coppi, com exemplares também originários do Apenino modenês. Em 1946, chegaram os fósseis Bentivoglio (vegetais do Carbonífero superior) e, posteriormente, as coleções Montanaro Gallitelli (fósseis de todas as partes do mundo).

Nos anos 1960, ocorreu a aquisição de esqueletos de um Camptossauro e de um Alossauro dos depósitos de Utah, que, juntamente com um Ictiossauro do Jurássico inferior (Alemanha Ocidental) perfeitamente preservado e recebido como doação da Fundação Ligabue, dominam a “Sala dos Dinossauros”.

Também notável é a coleção de peixes oceânicos e palmeiras fósseis originária do famoso depósito de Bolca, no território de Verona. Ricas também são as coleções de microfósseis, em particular, a coleção Di Napoli, um dos fundadores da moderna disciplina da micropaleontologia.