Экспозиция раскрывает Тамбовскую область с другой стороны — с ее геологическим прошлым, с этапами эволюции органического мира. Экспонаты собирались на протяжении 120 лет — это коллекция горных пород, останки беспозвоночных и позвоночных животных, например, двустворчатых моллюсков, окаменевших пресмыкающихся, трогонтериевого слона, шерстистого носорога. Тамбовчане могут наглядно представить себе маленькую часть «жителей» палеозоя, мезозоя и кайнозоя.
Среди особых экспонатов есть и музейные редкости. Это Сихоте-Алинский железный метеорит, горная порода кристаллического фундамента с глубины 680 метров и фрагмент кости травмированной молодой особи мамонта.