Die Sammlung fossiler Wirbelloser umfasst die fossilen Reste von Muscheln, Schnecken, Korallen, Schwämmen, Seeigeln, Seelilien, Krebstiere, usw. Darunter befinden sich auch viele heute ausgestorbene Gruppen wie etwa Trilobiten, Ammoniten oder Rudisten. Aber auch die umfangreiche Bernsteinsammlung mit ihren Insekteneinschlüssen, die Sammlung von Spurenfossilien sowie die mikropaläontologische Sammlung sind hier untergebracht.

Herausragend sind die Fossiliensammlungen von Ernst Friedrich von Schlotheim (1764-1832), Leopold von Buch (1774-1853), die Bernsteinsammlung von Georg Carl Berendt (1790-1850) sowie die mikropaläontologische Sammlung von Christian G. Ehrenberg (1795-1876). Ein Highlight ist das einzige vollständige Exemplar von Xenusion auerswaldae aus dem eiszeitlichen Geschiebe von Wittstock. Diese Stummelfüßer lebte im Unterkambrium und war das erste Lebewesen mit Gliedmaßen.