Экспозиция музея начинается с зала палеонтологии, где представлена древнейшая история области. Многочисленные экспонаты, рассказывают посетителям об истории Павлодарского Прииртышья, когда 150 млн. лет назад здесь произрастали непроходимые леса лепидодендронов и папоротников, а 70 млн. лет назад здесь плескалось море. На остепненных участках, типа африканских саванн, паслись миллионные стада трехпалой лошади гиппарион, а позже, после всемирного похолодания их место заняли мамонты и большерогие олени.

На территории г. Павлодар находится уникальный памятник палеонтологии “Гусиный перелет” известный во всем мире. Здесь, благодаря раскопкам палеонтолога Ю.А. Орлова в 1928-1930 гг., было обнаружено огромное количество костных останков древних животных неогенового периода. К ним относятся останки трехпалой лошади гиппариона, жираф, носорога хилотерия, оленей и гиен, саблезубой кошки махайрода и слона трогонтерия. Костные останки всех этих животных посетитель может увидеть в нашей экспозиции.

Гордостью нашего музея является скелет большерогого оленя, найденного на берегу Иртыша.

Ежегодно, после весенних паводков, в обрывах реки можно обнаружить многочисленные костные останки животных ледникового периода, которым в музее посвящена отдельная тема. Здесь находятся кости мамонта, шерстистого носорога, череп пещерного медведя и других древних животных.