Geološko-paleontološka zbirka temeljna je zbirka Prirodoslovnog odjela MBP-a. Sadrži raznorodni fosilni materijal te uzorke sedimentnih stijena s područja brodskog Posavlja, ali i drugih krajeva Hrvatske i inozemstva. Najzastupljeniji su fosilni ostaci mekušaca (školjke i puževi) iz razdoblja neogena, tzv. Panonskog mora. U zbirci se čuvaju fosilni ostaci koralja, otisci listova, otisci riba, fosilni ježinci i drugo. Razdoblje pliocena zastupljeno je s nekoliko stotina slatkovodnih puževa i školjki, a razdoblje kvartara fosilnim ostatcima ledenodobnih sisavaca poput stepskog i vunastog mamuta, stepskog bizona, pragoveda, praslonova i vunastih nosoroga. U zbirci se čuvaju brojni fosilni ostatci zuba mamuta, a najznačajniji i jedan od najprepoznatljivijih predmeta iz fundusa Muzeja je lubanja s kljovama stepskog mamuta (Mammuthus trogontherii).