Коллекция содержит кости ископаемых животных, окаменелости (отпечатки древних растений, ракушек и.т.д.)
и другие свидетельства существования ископаемой флоры и фауны.

В фондах музея хранится несколько видов палеонтологических материалов:
- аммонитовая фауна (раковины аммонитов высокой степени сохранности, раковины гигантских двустворчатыхи брюхоногих моллюсков.

Окаменелости Сахалина нередко уникальны своей сохранностью, остатки фаун двустворчатых и брюхоногих моллюсков помогают создать представление о формах жизни, исчезнувших миллионы лет назад.

палеогеновая флора (фрагменты стволов окаменелого дерева)

голоценовая (10 000 л.н. - наши дни) фауна (остатки животных, моллюсков, рыб из археологических памятников раннего железного века - средневековья)

Видовой состав млекопитающих Сахалина в четвертичное время был более разнообразен, что свидетельствует о тесной связи островной и материковой фаун и об изменениях природных условий.

Однако история сахалинских млекопитающих пока известна лишь в общих чертах. Причина этого кроется, прежде всего, в редкости естественных местонахождений. Недостающая информация заключена в культурных слоях, археологических памятников. В последнее время благодаря археологическим раскопкам на Сахалине появились фаунистические материалы более чем из 200 памятников, позволяющие всесторонне охарактеризовать не только особенности образа жизни людей в древности, но и восполнить пробелы знаний об ископаемых и современных животных и понять характер их взаимодействия.

Ежегодно коллекция пополняется экспедиционными и подъемными сборами, местное население передает в дар случайные находки. В музее формируется обменный фонд четвертичной фауны, способный заинтересовать широкий круг специалистов и музейных работников.