Le collezioni di vertebrati comprendono più di diecimila reperti e, anche in questo caso, i fossili del Triveneto formano la parte più consistente della raccolta. I suggestivi pesci di Bolca, i coccodrilli e i sireni sono solo alcune delle suggestive testimonianze dei paesaggi tropicali che caratterizzavano il veneto sud occidentale tra i cinquanta e i trenta milioni di anni fa, durante l’Eocene e l’Oligocene. A questi si aggiungono i numerosi resti di delfini provenienti dal Bellunese, risalenti a circa 15 milioni di anni fa, quando gran parte del Veneto era ancora sommersa, dei curiosi “nani” della Sicilia e dei moltissimi animali che hanno sfidato i lunghi inverni glaciali del Pleistocene: orsi delle caverne, cervi giganti, "tigri" dai denti a sciabola, rinoceronti lanosi, mammut…

Tra le rarità esposte nelle sale va menzionato il Tridentinosaurus antiquus, un fossile unico nel suo genere. Esso, infatti, risale al Permiano (oltre 250 milioni di anni fa) e si tratta del rettile più antico delle Alpi Meridionali. Simile a una lucertola, fu trovato nel 1931 nei pressi di Stramaiolo, in Trentino e a ciò deve il suo nome.

Tra le collezioni si possono ammirare anche altri fossili di grande interesse risalenti al Giurassico, periodo compreso tra i 200 e i 135 milioni di anni fa, meglio conosciuto come ”età dei dinosauri”. Tra i reperti di maggior pregio spiccano bellissimi rettili marini e rettili volanti provenienti dalla Germania.

Il Museo conserva inoltre numerosi reperti di grande rilevanza scientifica, provenienti da luoghi remoti come la Patagonia o il Brasile.