Museet, som grundades under det andra decenniet av 1800-talet som Naturhistoriska Kabinettet, har faktiskt ännu äldre rötter, eftersom den första samlingen av naturhistoriska föremål som kom till universitetet i Modena går tillbaka till biskopen av Modena Giuseppe Maria Foglianis testamente (1786) av sin samling till rektoratet.

Den mest betydande delen av museets samlingar bildades dock under andra hälften av 1800-talet tack vare ett antal viktiga donationer. Utställningen visar främst djurfossilier, ryggradsdjur och ryggradslösa djur, men det finns också växtföremål.

Museet är fördelat på tre platser: huvudbyggnaden för Institutionen, på Via dell'Università, hyser samlingarna av ryggradslösa djur och fossila växter, samt undervisnings- och forskningsverksamhet. På Via Berengario 14, tidigare hem för Anatomiska museet, finns dinosauriesalen och samlingarna av fossila ryggradsdjur, medan Foro Boario hyser utställningsutrymmen för Institutionen.

Material från formationerna från Neogen i den toskansk-emilianska Apenninerna utgör den mest omfattande delen av samlingen och beror på forskningsarbetet från flera professorer i paleontologi vid universitetet i Modena och naturforskare som Pietro Doderlein och Dante Pantanelli. Bland dessa förtjänar resterna av marina reptiler från krita- och mesozoikumperioden att nämnas på grund av sitt intresse.

En del av skelettet av en blåval som hittades för ungefär trettio år sedan kompletterar serien av lokala fossila fynd med pelagiskt ursprung. År 1926 förvärvade museet Coppi-samlingen av snäckor, med exemplar som också kommer från Apenninerna i Modena. År 1946 kom Bentivoglio-fossilerna (växter från den övre karbonperioden) och senare Montanaro Gallitelli-samlingarna (fossiler från hela världen).

På 1960-talet förvärvades skelett av en Camptosaurus och en Allosaurus från fyndplatser i Utah, som, tillsammans med en perfekt bevarad Ichthyosaur från den nedre juraperioden (Västtyskland) som museet fick som gåva från Fondazione Ligabue, dominerar dinosauriesalen.

Samlingen av havsfiskar och fossila palmer från den berömda Bolca-fyndigheten i provinsen Verona är också anmärkningsvärd. Samlingarna av mikrofossiler är mycket omfattande, i synnerhet Di Napoli-samlingen, en av grundarna av den moderna mikropaleontologin.