El suelo de areniscas rojas del área de Villa El Chocón y la actuales costas del embalse Exequiel Ramos Mexia, son zonas ricas en fósiles. Algunas de las capas sobrepasan los 100 millones de años y por lo tanto, todo fósil que se encuentra aquí data de esa antigüedad.
Dentro de esas capas encontramos restos de árboles fosilizados, sapos (anuros), tortugas y fundamentalmente fósiles de dinosaurios de varios tipos, conservados de distintas formas.
El museo posee importantes colecciones paleontológicas y arqueológicas de interés científico y didáctico. La colección paleontológica se conforma de elementos fósiles representantes de especies extinguidas de más de 40 millones de años de antigüedad y más de 3.000 elementos fósiles documentados e informatizados. Mastodontes, megaterios, gliptodontes, toxodontes, insectos conservados en ámbar, dinosaurios y ancestros humanos integran entre otros los materiales expuestos en el museo. La colección arqueológica está integrada por materiales líticos, cerámicos y óseos.