Fósseis são vestígios de organismos que ficaram preservados em rochas, gelo ou âmbar. São representantes da fauna e flora do passado que atestam a paleobiodiversidade e a evolução. Diferentemente dos organismos modernos, o contato com os fósseis só é possível através de coleções. Assim, ao coletar e colecionar o espécime fóssil, este testemunho fica ao mesmo tempo preservado e acessível a um maior número de pessoas. Coleções paleobiológicas funcionam como um banco de dados do passado, tornando possível o acesso às informações para estudos faunísticos, origem, evolução e extinções, e ambientais, como mudanças climáticas e catástrofes. É o estudo destas coleções que gera o conhecimento científico divulgado em exposições e publicações.

        O acervo paleontológico do MCT, conta atualmente com cerca de 7200 lotes catalogados. São cerca de 4700 vertebrados, 1500 invertebrados e 1000 plantas fósseis, oriundos de diferentes camadas sedimentares brasileiras. Dentre os vertebrados os peixes (~1800 lotes) e répteis (~2000 lotes) e mamíferos (~800 lotes) constituem a maior parte da coleção. O acervo inclui ainda coleções especiais, como de réplicas, de esqueletos via seca e didática. A coleção está praticamente toda informatizada, através do programa Specify.

        A coleção inclui representantes fósseis de todo o Brasil: Acre, Pará, Ceará, Maranhão, Tocantins, São Paulo, Paraná e Santa Catarina. A maior parte do material catalogado é procedente de afloramentos na região sul do Brasil, particularmente da faixa central (Depressão Central) do estado do RS.

        A maior representatividade da coleção é referente aos tetrápodes, répteis e anfíbios, da formação Santa Maria. São diferentes grupos de répteis, com boa qualidade de preservação que constituíram elementos faunísticos fundamentais no Triássico do RS. Entretanto, peixes das Formações Rio do Sul (Santa Catarina), Tremembé (São Paulo) e Santana ( nordeste) constituem boa parte coleção.

        11 holótipos, 40 parátipos.

        O RS é um estado privilegiado em termos paleontólogicos, por apresentar exposições de sedimentos triássicos (cerca de 230 Ma) únicos no Brasil e no mundo: a Formação Santa Maria. A coleção de fósseis do MCT possui uma representativa fauna de vertebrados tetrápodes desta formação, incluindo répteis completos e articulados que mediam quase 2 m de comprimento. A maior parte dos lotes de répteis está formada por dicinodontes (Jachaleria), rincossaurios (Hyperodapedon) e cinodontes (Exaeretodon). Outra fauna extinta que está bem representada na coleção do MCT é a megafauna de mamíferos, composta por tatus (Glyptodon) e preguiças gigantes (Eremotherium), mastodontes (Haplomastodon) e toxodontes (Toxodon) entre outros.