Le Musée possède une importante collection de fossiles. Les spécimens datent du Jurassique (205 à 135 millions d'années) et du Crétacé (135 à 65 millions d'années).

Comment se forme un fossile? Quand un animal marin meurt, sa coquille tombe sur le fond. Bactéries et prédateurs font disparaître les parties molles. Si la coquille est rapidement recouverte et remplie de boue, elle peut commencer à se fossiliser. Puis, pendant des millions d'années, de fines couches de sédiments recouvrent le fossile. Lentement, elles se transforment chimiquement pour devenir de la roche. Le fossile peut être enseveli sous plusieurs mètres d'épaisseur.
Comment réapparaît-il? Des millions d'années plus tard, la mer s'est retirée. Suite aux mouvements de l'écorce terrestre, les roches remontent à la surface. Usées par l'érosion, elles finissent par libérer le fossile.

Au XIXème siècle un large réseau d'amateurs de terrain commence l'inventaire des fossiles existant dans le Jura et constitue des collections.