Den vertebratpalæontologiske samling omfatter lidt over 18.000 fossile stykker af forhistoriske hvirveldyr fra Kambrium (541 millioner år siden) og indtil Kvartær (2,6 millioner år siden). Det er fortrinsvis fossiler af kæbeløse fisk (Agnatha), panserfisk (Placodermi), ”piggede hajer” (Acanthodii), hajer og rokker (Elasmobranchii), strålefinnede fisk (Actinopterygii), lungefisk (Dipnoi), og kvastfinnede fisk (Porolepiformes, Osteolepiformes og Coelacanthiformes). Fossilerne stammer hovedsageligt fra aflejringer i Nord- og Østgrønland og Denmark.

Samlingen huser også de internationalt videnskabeligt vigtige tidlige “firbenede fisk” fra Sen Devon i Østgrønland; dinosaurer, skildpadder, phytosaurer og pattedyr fra Sen Trias i Østgrønland; og en stor samling af strålefinnede fisk og enkelte fugle og skildpadder fra de tidligt eocæne moleraflejringer i Limfjorden.