Особый интерес представляют находки костей многочисленных в мезозойскую эру морских ящеров: ихтиозавров, плезиозавров, мозазавров. В то время на территории Волгоградской области плескалось теплое мелководное море, т.н. океан Тетис. Достаточно хорошо представлены в экспозиции зубы и позвонки акул, раковины головоногих моллюсков аммонитов и др.

Не меньший интерес у посетителей музея вызывают экспонаты, дошедшие до нас с четвертичного периода эпохи кайнозоя. Они представлены костями мамонта (челюсть, бивень, плечевые и тазовые кости) и зубами шерстистого носорога эласмотерия.

В последний период четвертичного периода, который получил название антропоген, происходило появление и формирование древнейших людей. Становление человечества происходило в тяжелейших условиях борьбы за выживание в животном мире. Первобытные люди были вынуждены постоянно вести поиски пищи и бороться с хищниками. Одна из сцен жизни древнейших людей представлена в экспозиции музея в диораме «Охота древнейших людей на шерстистого носорога».