În prezent, muzeul deține peste 50.000 de eșantioane dintre care aproximativ 30.000 sunt expuse permanent. Colecțiile permanente ale muzeului au fost structurate pe criterii taxonomice și stratigrafice: Colecția de tipuri, Colectia taxonomică de Paleontologie, Colecția de Stratigrafie Generală, Colecția Stratigrafica a Bazinului Transilvaniei, Colecția în aer liber.
Colecția taxonomica de Paleontologie urmărește evoluția vieții de-a lungul erelor geologice începând cu Paleozoicul (Carbonifer 354 Ma) și terminând cu Pleistocenul (1,81 Ma). Sunt expuse în ordine cronologica plante fosile, animale nevertebrate și vertebrate provenind din țară sau din diferite ocurente fosilifere din lume. Colecția de vertebrate reprezintă punctul major de atracție, în muzeu fiind expuse vestigii din celebra faună de dinozauri din Bazinul Hațeg și Bazinul Transilvaniei: Struthiosaurus transylvanicus, Magyarosaurus dacus, Zalmoxes robustus, Zalmoxes shqiperorum precum și oua de dinozaur (Megaloolithus cf. siruguei) foarte bine păstrate. De asemenea sunt expuși ichthyosaurieni din Jurasicul de la Holzmaden (Germania) sau resturi scheletice bine conservate aparținând celor mai mari mamifere cunoscute: Paraceratherium prohorovi un rinocerotoid gigant din Paleogen, Deinotherium giganteum un proboscidian aberant din Miocen (stramosul elefantilor de azi). În cadrul colecției taxonomice este expus un schelet complet al ursului de cavernă din Pleistocen (Ursus spelaeus) ce impresionează publicul vizitator prin dimensiunile sale, precum si resturi de rhinoceride (rinocerul cu blana) sirenide (vaci de mare), cervide (capra fosila) sau proboscidieni din Transilvania.
Colecția de tipuri este cea mai valoroasa colecție din cadrul muzeului cuprinzând peste 200 de specii fosile (plante și animale), noi pentru știință. Aceste fosile sunt reprezentate de gastropode (nerinee) și cefalopode (amoniti) mezozoice ce au trait în urmă cu 200 mil. de ani sau de faună tertiară și cuaternară (echinide, briozoare) care au fost descrise pentru prima dată pentru știință din Bazinul Transilvaniei. Colecția de tipuri cuprinde și cel mai vechi rinocerid din lume cunoscut până în prezent (Prohyracodon orientale) (Radaia-Eocen).
Colecția de Stratigrafie Generală cuprinde mai multe colecții de fosile cu importanță stratigrafică și roci provenind din țară sau din Europa, expuse în ordinea succesiunii cronostratigrafice (din Cambrian până în Pleistocen). Colecția de stratigrafie generală din Europa cuprinde colecția de moluște terțiare din Franța (Bazinul Parizian), Italia de Nord (Bazinul Piemontez-Liguric), Austria (Bazinul Vienez) și Ungaria (Bazinul Dunării de Mijloc). Dintre colecțiile regionale, Colecția Stratigrafică a Bazinului Transilvaniei este unică în țară și cuprinde material fosil ce reflectă evoluția bazinului în Paleogen și Neogen. În cadrul acesteia sunt expuse resturi fosile de vertebrate și nevertebrate precum și o importantă colecție de paleoflora.
Colecția în aer liber este situată în curtea interioara a Universitații Babeș-Bolyai și cuprinde eșantioane mari, de roci eruptive, metamorfice și sedimentare și chiar fosile gigant (rudisti). Sunt expuse astfel blocuri mari, placi lustruite (calcare cretacice fosilifere folosite în construcții) și coloane de bazalt (bazaltul de la Racoș, Munții Perșani), formațiunea stalagmitică din Peștera Dragon-Onceasa (Munții Apuseni), concrețiuni de Feleac (Cluj) spectaculoase prin dimensiunile mari și morfologia diversă.