Im Rahmen der naturwissenschaftlichen Sammlungen der Universität Zürich gehört das Paläontologische Museum Zürich seit 2024 zum Naturhistorischen Museum der Universität Zürich und präsentierte zuvor den öffentlich zugänglichen Teil des Paläontologischen Instituts und Museums der Universität Zürich.
Räumlich teilte das Haus seine Ausstellungsflächen von 1956 bis 2024 mit dem Zoologischen Museum Zürich. Bereits seit 1965 waren Exponate als Schausammlung für die Öffentlichkeit einsehbar; die museale Eröffnung erfolgte 1991.
Die Bestände enthalten Fossilien, deren Nachweise bis ins 17. Jahrhundert zurückreichen. Besonders bedeutend ist die Sammlung von Meeresfischen und Meeresreptilien aus der Mitteltrias (etwa 245,9–228,7 Millionen Jahre). Im Zentrum der Ausstellung stehen die außergewöhnlich gut erhaltenen Funde vom Berg San Giorgio im Kanton Tessin, der seit Juli 2003 auf der UNESCO-Welterbe-Liste steht. Ergänzt werden diese Bestände durch Fossilien aus der Schweiz, den Alpen und Nordamerika, die Einblicke in jüngere Erdgeschichte liefern.
Als Erschließungsprinzip galt Systematik – Stratigraphie – Geographie. Insgesamt umfasste die Sammlung rund 100'000 Wirbellose, 10'000 Wirbeltiere und etwa 6'000 „Tessin-Fossilien“.