Las Salas de Paleontología reconstruyen la vida en el pasado a partir de los fósiles, restos que se han conservado de los organismos o indicios de su actividad. Pueden observarse fósiles que vivieron en las distintas eras geológicas:
Era Paleozoica, entre 570 y 230 millones de años atrás;
Era Mesozoica (con sus períodos Triásico, Jurásico y Cretácico) hace entre 230 y 65 millones de años;
Era Cenozoica, que abarca los últimos 65 millones de años de vida sobre la Tierra.
La era Paleozoica presenta registros fósiles de numerosos invertebrados marinos, peces acorazados, anfibios y vegetales fósiles como helechos y Gymnospermas, ambas plantas sin flor.
También se exhiben reptiles con características similares a cocodrilos, reptiles mamiferoides y los texodontes, reptiles vinculados con la aparición de los dinosaurios.La era Mesozoica se caracteriza por la gran diversidad de reptiles, entre ellos los dinosaurios, como el Neuquensaurus, el Iguanodon o el Herrerasaurus, uno de los dinosaurios más antiguos conocidos. El Argentinosaurus, dinosaurio de Neuquén, es el vertebrado terrestre más gigantesco de todos los tiempos.
La era Cenozoica presenta una gran diversidad de mamíferos que vivieron hace 65 millones de años en América del Sur.
Nuestro continente permaneció aislado durante 60 millones de años. Esto permitió el desarrollo de una fauna de mamíferos de enorme tamaño que habitó hasta hace 10.000 años atrás. Estos mamíferos convivieron con el hombre unos 2.000 años aproximadamente. Se infiere que el hombre debió defenderse de estos animales y que también le habrían servido de alimento.
Mamíferos tales como gliptodontes, megaterios, macrauquenias, toxodontes, osos y tigres dientes de sable, eran los habitantes comunes de nuestros pastizales pampeanos y, por su gran tamaño, se los conoce como “Megafauna”.
Se destaca el Megaterio, pariente de los perezosos actuales, medía hasta 5 metros de alto y pesaba 4000 kilos o más, con cola muy robusta y fuertes garras. El Toxodon tenía un tamaño similar al de un rinoceronte y dientes espatulados para alimentarse de hierbas. El Gliptodonte, con aspecto similar a los actuales armadillos y la Macrauchenia, un cuadrúpedo herbívoro con una trompa como la del elefante pero más pequeña.
Hace unos 3 millones de años se estableció la conexión con América del Norte que permitió el intercambio de fauna entre ambos territorios. Este suceso posibilitó que la fauna sudamericana se desplazara hacia el Hemisferio Norte y la de éste, hacia el Hemisferio Sur.