Die Sammlung umfasst alle Großgruppen von Fischen und Amphibien aus Paläozoikum, Mesozoikum und Känozoikum sowie eine dazugehörige, histologische Schliffsammlung. Ca. 5.000 Exemplare von Ohrsteinchen (Otolithe) von Fischen sind als Spezialsammlung zusätzlich erfasst.

Die Sammlung fossiler Fische ist mit ca. 25.000 Objekten nach den Säugetieren die zweitgrößte fossile Wirbeltiersammlung des Museums. Durch ihren Umfang und Beschaffenheit widerfährt der Teilsammlung fossiler Fische ein besonderes wissenschaftliches Interesse, was zu einer hohen, internationalen Bedeutung führt. Die Sammlung der Amphibien ist mit 1.500 Objekten deutlich kleiner, aber durch das Vorhandensein vieler Typen und Originale sowie fossiler Wachstumsserien, bei denen die Entwicklung von der Larve zum erwachsenen Tier nachverfolgt werden kann, für die Forschung nicht weniger interessant. Unter den Sammlungsobjekten befinden sich insgesamt ca. 750 Typen und mehr als 1.600 Originale.

Historisch bedingt, sind viele Funde aus Mitteleuropa in der Sammlung. Insbesondere im deutschen Raum, beispielsweise Solnhofen – Oberjura, Odernheim – Unterperm oder Bad Wildungen – Oberdevon, wurden viele Sammlungsobjekte gefunden. Weitere Schwerpunkte bilden das Baltikum und Schottland mit zahlreichen, devonischen Fundstücken. Einige Sammlungsteile stammen aus unterschiedlichsten Teilen der Welt, z.B. aus der kanadischen Arktis – Devon, USA und Tschechien – Oberkarbon, Libanon und Brasilien – Unterkreide.