L'origine del museo è collegata alla fondazione del Comitato geologico nel 1869 a Firenze e al suo trasferimento a Roma nel 1873. Il materiale, proveniente da rilevamenti e aggiornamenti operati nell'ambito della stesura della Carta geologica d'Italia, include fossili, rocce e minerali. La sezione paleontologica comprende organismi dei regni animale e vegetale dal Paleozoico al Neozoico, fra cui sono conservati numerosi olotipi (resti fossili di interesse mondiale), mentre la sezione litologica conserva marmi e materiali usati per la decorazione e la costruzione, per un totale di oltre 100.000 esemplari. Tutto il materiale è stato sottoposto a un progetto di inventariazione computerizzata. Parte delle collezioni sono temporaneamente visibili su richiesta presso l'APAT (Agenzia per la Protezione dell'Ambiente e per i Servizi Tecnici, via Curtatone 3), in cui è confluito il dipartimento per i Servizi Tecnici Nazionali. Sussiste inoltre la Collezione storica, che comprende oggetti (quadri, busti, targhe, opere di toreutica, medaglie, strumentazione scientifica) legate al mondo della geologia. Tra tutte spicca la collezione di Plastici storici, con 17 pezzi