Палеонтологическая коллекция ТОКМ включает в себя отпечатки ископаемых растений, окаменелые остатки моллюсков, брахиопод, мшанок, кораллов, морских лилий, членистоногих, а также большое количество остатков четвертичных млекопитающих – мамонтов, первобытных бизонов, шерстистых носорогов и др., всего около 500 предметов.
Формирование коллекции происходит чаще всего случайным образом – за счёт находок палеонтологических образцов местными жителями и передачи их в музей. Часть коллекции – экспедиционные сборы музея. Некоторые экспонаты были переданы Палеонтологическим музеем Томского государственного университета.
Атрибуция проводилась Фороновой И.В., Шпанским А.В.