Одна из богатейших в России коллекция метеоритов, включающая 125 экспонатов, в том числе образцы пород Луны и Марса. Во всех метеоритных каталогах мира метеориты Оханск, Чувашские Кисы и Каинсаз представляют Казанский университет как обладателя главной массы космического вещества.
Коллекция минералов насчитывает более 13 тысяч образцов руд и минералов и около тысячи великолепных кристаллов. Собрание содержит как исторические образцы – яшмы Мусина-Пушкина, коллекции, закупленные в Западной Европе в начале XIX века, уральские коллекции А.А. Штукенберга, так и уникальные — кристалл топаза великолепной природной огранки, гигантский кристалл шпинели и др.
В зале Исторической геологии к «золотому» палеонтологическому фонду музея относятся монографические коллекции Казанской геологической школы. Это коллекции Н.А. Головкинского, А.А. Штукенберга, А.В. Нечаева, М.Э. Ноинского, П.И. Кротова и др. В числе редких экспонатов — экземпляр морской лилии, замещенной кристаллами пирита (Германия, XIX век), скелет ихтиозавра (юра, Германия), уникальные зубные аппараты рыбы Helicoprion (пермь, Урал).
В центре зала Фауны четвертичного (Ледникового) периода на центральном подиуме возвышается полный скелет мамонта, найденный в конце 1898 г. в Пермской губернии. Вместе с мамонтом в зале представлены скелеты животных Ледникового периода: черепов носорогов, бизонов, овцебыков, гиен, пещерных медведей.
Важное место в музее занимает коллекция горючих полезных ископаемых России и Татарстана. Начало этой коллекции, положено А.А. Штукенбергом сборами из нефтеносных отложений Баку. В коллекции представлены образцы нефтей и газоконденсата крупнейших нефтегазовых провинций России: Северо-Кавказской, Волго-Уральской, Тимано-Печорской, Западно-Сибирской, Лено-Тунгусской и др. Представлены также образцы озокерита, кира, битума, угля из различных месторождений России и мира.
