Палеонтологическая коллекция Алтайского государственного краеведческого музея насчитывает почти 1000 предметов. В собрании отложились материалы, собранные в XIX в. С.И. Гуляевым и Н.С. Гуляевым, известными исследователями Алтая.

Флора и фауна коллекции музея дочетвертичного периода составляет свыше 700 образцов. Интересны палеонаходки периода кембрия (водоросли, археоциаты), девона (трилобиты, атрипиды, спириферы, кораллы, брахиоподы, мшанки, морские лилии), мезозоя (аммониты, белемениты), карбона (лепидодендрон, хвощи, папоротники). Имеются в коллекции и отпечатки лиственных деревьев и цветкового растения, а также окаменевшие части ствола дерева.

В основе формирования палеофауны четвертичного периода (около 250 ед.хр.) лежат сборы XIX в. (зубы и бивни мамонта, рога бизона). Находки локализуются в основном по берегам рек и указывают на обитание животных четвертичного периода на территории Алтайского края (Алейский, Быстро-Истокский, Залесовский, Заринский, Калманский, Косихинский, Курьинский Кытмановский, Первомайский, Павловский, Петропавловский, Шипуновский, Шелаболихинский, Усть-Калманский, Тальменский, Тогульский районы, а также г. Барнаул и его окрестности). Видовое разнообразие коллекции четвертичного периода в фондах музея представлено 13 видами – тригонтериевый слон, мамонт шерстистый, носорог сибирский, носорог шерстистый, древняя лошадь, бизон, благородный олень, широкорогий олень, ископаемый песец, древний волк, бобр каменный, древняя росомаха, пещерный медведь.