Neposredno nakon što je Hrvatski sabor davne 1836. godine donio odluku o osnutku Narodnoga muzeja, Mijat Sabljar, umirovljeni bojnik i kasnije svestrani muzealac, poklonio je Muzeju bogatu zbirku ruda i školjkaša, koja predstavlja svojevrsni temelj današnjeg obimnog i raznovrsnog geološko-paleontološkog fundusa Hrvatskoga prirodoslovnog muzeja.

Slijedeći primjer Mijata Sabljara, koji je još u ono vrijeme predložio stvaranje prirodoslovnih zbirki u čitavoj Hrvatskoj i Slavoniji, zbog čega ga smatraju »začetnikom muzeološkog promišljanja u nas« i njegovi brojni suvremenici različitih profila prikupljali su fosile i stijene iz okolice Zagreba, Slavonije, Srijema te drugih nalazišta. Često su prikupljeni uzorci zbog političkih i inih razloga završavali u poznatim muzejima, primjerice u Beču i Budimpešti. Međutim, kako se u to vrijeme upravo rasplamsavao Ilirski preporod u kojem je značajno mjesto imalo hrvatsko rodoljublje, u ime toga, a potaknuto i novčanim otkupom, ipak je značajan dio prikupljenog materijala ostajao u tadašnjem Muzeju čime su se proširivale i obogaćivale i geološko-paleontološke zbirke. Čak su u pojedinim mjestima bili imenovani „muzejski povjerenici“ koji su dobrovoljno i uz veliko zalaganje prionuli prikupljanju i otkupu fosila, kao i drugih prirodnina za Muzej.

Nezaobilazno ime, vezano uz same početke kako cjelokupnog muzejskog djelovanja tako i uz važan doprinos u prikupljanju i određivanju fosila, ruda i stijena, ime je ilirca Ljudevita Farkaša Vukotinovića. Geološki segment prirodoslovnog Vukotinovićeva rada nastavlja Spiridion Brusina, koji 1868. godine dolazi na mjesto prvog „pristava“, odnosno kustosa za prirodoslovne zbirke, koji je preselio prirodoslovne zbirke iz Narodnog doma u Opatičkoj 18 u „zemaljsku zgradu, njekadanje staro kazalište“, u Demetrovoj 1.

Ime Spiridiona Brusine osobito je vezano uz značajnu paleomalakološku zbirku koja sadrži više od 15 000 primjeraka većinom brakičnih i slatkovodnih školjkaša i puževa neogenske starosti s različitih lokaliteta. Brusina je ovu obimnu i značajnu zbirku prikupljao i obrađivao gotovo četiri desetljeća, a rezultat tog rada su, ne samo muzejski obrađene zbirke, već i nadaleko u paleontološkim krugovima poznate monografije: Fossile Binen-Molusken aus Dalmatien, Kroatien und Slavonien nebst einem Anhange; Gragja za neogensku malakološku faunu Dalmacije, Hrvatske i Slavonije uz neke vrste iz Bosne, Hercegovine i Srbiji te Iconographia Molluscorum fosillum in tellure tertiaria Hungariae, Croatiae, Slavoniae, Dalmatiae, Bosniae, Herzegovinae, Serbiae et Bulgariae inventorum.

Brusininim zalaganjem na mjesto kustosa geološko-mineraloške zbirke 1970. godine dolazi Gjuro Pilar, prvi školovani geolog, čovjek europske naobrazbe i kulture. Vrativši se sa studija u Bruxellesu, Pilar je za potrebe geoloških znanstvenih istraživanja i sveučilišne nastave pribavio potrebnu literaturu, pomagala i instrumentarij, te znanstveno obradio temeljni geološki fundus današnjega Hrvatskoga prirodoslovnog muzeja. Osim toga, pribavio je dragocjene komparativne zbirke fosila iz inozemstva te je načinio prvi stalni muzejski geološki postav. Također, prvi je znanstveno obradio jednu geološku muzejsku zbirku, objavljenu 1873. godine u radu Trećegorje i podloga mu u Glinskom pokuplju.

Zbirka fosilne flore sarmatskih naslaga okolice Zagreba, koju je također prikupio i proučavao Gjuro Pilar svjedoči nam da predmetom zanimanja i istraživanja tadašnjih prirodoslovaca i muzealaca nisu bili samo ostaci faune već i bogate i raznovrsne flore. Rezultati istraživanja te fosilne flore izneseni su u opsežnoj monografija Flora fossilis Susedana iz 1883. godine.

Godine 1880., nakon školovanja u Zürichu, Beču i Tübingenu, pristav za geologiju i paleontologiju Narodnog muzeja postaje i Dragutin Gorjanović-Kramberger. Ugled svjetski poznatog geologa, paleontologa i paleoantropologa stekao je već krajem devetnaestog stoljeća, kada je otkrio te europskoj i svjetskoj znanstvenoj javnosti obznanio senzacionalni nalaz krapinskih neandertalaca. Iako je Gorjanović-Kramberger najpoznatiji po otkriću krapinskih neandertalaca, ne smijemo zanemariti ni druge segmente geološko-paleontološke građe koje je on prikupljao i obrađivao tijekom svog dugogodišnjeg predanog radu u Muzeju, primjerice mekušce neogenskih naslaga sjeverne Hrvatske, pleistocenske sisavce, kredne i miocenske ribe te uzorke stijena što reprezentiraju stratigrafiju Hrvatske.

Svakako treba spomenuti da su Brusina i Gorjanović-Kramberger postavili najveći broj tipova vrsta (holotipova) koji se čuvaju u zasebnoj, iznimno značajnoj i vrijednoj Zbirci holotipova.

Nakon smrti Gjure Pilara, 1893. godine, tadašnji Mineralogičko-geologički odjel Narodnoga muzeja podijeljen je na Geološko-paleontološki i Minerološko-petrografski odjel, a znanstveni i stručni rad na području geologije i paleontologije predvodio je Dragutin Gorjanović-Kramberger. Tek 1903. godine, zbog povećanja fundusa, kao kustos počinje raditi Ferdo Koch, a nekoliko godina nakon Kocha i još dvojica kustosa: Marijan Salopek i Josip Poljak. Tako Muzej, ali i s njime povezana katedra geologije na Sveučilištu, postaju temeljima buduće hrvatske geološke službe.

Marijan Salopek, tijekom svog višegodišnjeg muzejskog rada istraživao je trijaske i jurske naslage različitih lokaliteta i pri tome pronašao, obradio i determinirao brojnu faunu, posebice cefalopodnu, te oformio vrijedne zbirke amonita.

Josip Poljak je svojim pedesetogodišnjim radom obilježio tadašnji Muzej, a istovremeno zadužio današnji Muzej. Osim što je obogatio fundus, njegov doprinos u muzeološkom smislu bio je neizmjerno velik. Veliki dio Inventarne knjige geološko-paleontološke građe ispisan je upravo njegovim kaligrafskim rukopisom, a kao dokument vremena važno je spomenuti i brojne staklene ploče na kojima su zabilježeni važni stručni i historijski podaci. Poljak je u svakom pogledu obogatio muzejski rad pa su njegovim zalaganjem uposleni novi stručnjaci: Ivan Crnolatac, Milan Herak i nešto kasnije Ante Milan.

Ne smijemo zanemariti ni kustose novijeg razdoblja jer je i njihov doprinos u obogaćivanju, skrbljenju te stručnom i znanstvenom radu na geološko-paleontološkom fundusu bio iznimno važan. No, kako su rezultati njihova rada još uvijek prisutni i čine dio današnjice muzejskog djelovanja, nećemo ih ovom prigodom poimence spominjati.

Velike promjene u Muzeju zbile su se šezdesetih godina kada su opći napredak grada Zagreba i same geologije kao znanosti, kao i zahtjevi posjetitelja, iziskivali modernizaciju muzejskog postava. Tada su odvojene studijske zbirke i fundus za stalni postav. Na novom postavu radili su svi kustosi tadašnjeg Geološko-paleontološkog muzeja (Ivan Crnolatac, Ante Milan, Melita Pavlovsky i Krešimir Sakač). Nova organizacija muzeja omogućila je povoljniji rad kako domaćih tako i stranih znanstvenika, pa su sve učestalije bile posjete i boravci inozemnih stručnjaka u Muzeju. Također se pojačava suradnja sa školama i fakultetima, te prirodoslovnim i zavičajnim muzejima drugih mjesta u Hrvatskoj.

Važna godina u historijatu našeg Odjela svakako je 1986., kada se Geološko-paleontološki muzej spaja zajedno sa Zoološkim i Mineraloško-petrografskim u jedinstveni Hrvatski prirodoslovni muzej.