Le raccolte storiche, per lo più malacologiche, risalgono soprattutto alla seconda metà dell'Ottocento. Fra le principali figurano la Collezione Doderlein, composta da più di 40.000 pezzi, la Collezione Coppi, ricca di migliaia di fossili del Terziario modenese e reggiano; la Collezione Pantanelli, comprendente fra l'altro più di 3.000 esemplari del Pliocene toscano e la Collezione Foresti, con molluschi neogenici emiliani e calabresi.
Di grande interesse sono la collezione di granchi pliocenici e resti vegetali provenienti da San Venanzio, in provincia di Modena, raccolta da Coppi; la corposa raccolta dell'Abate Mazzetti di echinidi miocenici di Montese, ceduta al consorzio Universitario nel 1888; la collezione di otoliti (concrezioni minerali dell'orecchio interno dei pesci) di Bassoli; la Collezione Lawley, una raccolta di ittiodontoliti del Miocene acquisita nel 1887.
Seguono la Collezione Ragazzi-Parenti comprendente coralli e molluschi fossili quaternari delle coste eritree del Mar Rosso, raccolti nel 1892-92 durante una campagna idrografica; la Collezione Zardini, con spugne triassiche delle Dolomiti, dovuta al famoso appassionato cortinese; la Collezioni Montanaro Gallitelli, comprendente una ricca raccolta di Coralli del Permiano del Sosio (Sicilia); la Collezione Gallitelli Wendt, con ammoniti del Toarciano umbro-marchigiano; e la Collezione Ascari, con molluschi plio-pleistocenici dello Stirone (PR).
Le collezioni del Museo comprendono ancora vari olotipi di pesci e palme fossili di Bolca (VR), l'importantissima località fossilifera dell'Eocene veneto, nonchè raccolte malacologiche provenienti dai classici Bacini di Vienna e Parigi.
Ricchissime sono pure le collezioni di microfossili. Fra esse figura, in particolare, la Collezione "Di Napoli", appartenuta allo studioso italiano che è considerato il padre della moderna Micropaleontologia.
Le collezioni storiche si trovano nella sede di Via Università 4 e sono visitabili su prenotazione.