Τα απολιθώματα που φιλοξενούνται στις προθήκες του Μουσείου ανήκουν σε ζώα που έζησαν στο νησί και ειδικότερα στην περιοχή του χωριού Μυτιληνιοί πριν από 8-10 εκατομμύρια χρόνια. Η εποχή αυτή ονομάζεται στη γεωλογική ορολογία Τουρόλιο και είναι βαθμίδα του ανώτερου μειόκαινου.
Οι πλέον πρόσφατες ανασκαφές που έφεραν στο φως τα ευρήματα που βλέπουμε σήμερα στις βιτρίνες του Μουσείου, έγιναν το 1963 από τον καθηγητή του Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης κ. Ιωάννη Μελέντη, ο οποίος δημιούργησε το αρχικό μικρό Μουσείο το 1967 με 118 ευρήματα. Οι ανασκαφές συνεχίζονται μετά το 1992, πάντα από το Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης υπό την εποπτεία του καθηγητή κ. Γ. Κουφού με την οικονομική βοήθεια του Ιδρύματος Ζημάλη και της τοπικής αυτοδιοίκησης.
Στη Σάμο, τα τελευταία 100 χρόνια έγιναν πολλές παλαιοντολογικές ανασκαφές από ξένους επιστήμονες που έφεραν στο φως αξιόλογα ευρήματα. Δυστυχώς, τα απολιθώματα αυτά φυγαδεύτηκαν από τη Σάμο και σήμερα κοσμούν τις προθήκες πολλών μουσείων στηνΕυρώπη και την Αμερική.
Απολιθώματα της Σάμου που βρίσκονται στο Παλαιοντολογικό μουσείο του Πανεπιστημίου Αθηνών προέρχονται από ανασκαφές που έκανε ο καθηγητής Θ. Σκούφος το 1912.
Τα ζώα αυτά ήρθαν στη Σάμο την εποχή που το νησί ήταν ενωμένο με τη Μικρά Ασία, αλλά και με την υπόλοιπη Ελλάδα, με μια ενιαία χέρσο. Ξεκίνησαν από την κεντρική Ασία και αναζητώντας την τροφή τους, πέρασαν από το Ιρακ, τη Μικρά Ασία, τη Σάμο, την Ελλάδα και διασκορπίστηκαν στην Ευρώπη μέχρι την Ιαπανία και την Αγγλία.
Στις προθήκες του Μουσείου υπάρχουν απολιθωμένα οστά και δόντια μικρόσωμων αλόγων που ονομάζονται Ιππάρια (Hipparion), οστά Μαστοδόντων (Mastodont Iongirostris), Υαινας (Crocura eximia), Σαμοθηρίου (Samotherium boisieri) και Ρινοκέρων.
Πολύ μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα κερασφόρα ζώα, τα οποία έχουν κρανία με κέρατα διαφόρων ειδών, όπως Πρωτόρυξ, Παλαιόρυξ, Μικροτράγος, Γκαζέλες κλπ. Όλα αυτά είναι Αρτιοδάκτυλα, ανήκουν στην οικογένεια Βοοειδή (Bovidae) και έχουν σεληνοδοντικό τύπο δοντιών.