Es la colección más numerosa del Museo Geominero, ya que cuenta con 46.490 ejemplares catalogados. La mayor parte corresponden a invertebrados, contabilizándose, unos 1.700 restos de plantas. El Museo alberga 142 holotipos en esta colección, siendo prácticamente todos de nuevas especies de invertebrados. Cerca de 10.000 piezas de esta colección se muestran al público en 43 vitrinas ubicadas en la planta principal y varias vitrinas en la primera planta del Museo.
La colección de Invertebrados fósiles y flora españoles está compuesta exclusivamente por especímenes españoles mostrando, a través de su contenido, la diversidad y riqueza paleontológica del territorio nacional. Uno de los intereses de esta colección radica en el origen histórico que poseen muchos de sus ejemplares al ser recopilados por importantes personajes de la historia de la geología de España durante la segunda mitad del s. XIX y primera del s. XX. En esa época se llevaba a cabo la elaboración de la cartografía geológica nacional a escala provincial, trabajo que llevaba aparejada la recolección de muestras paleontológicas cuyo deposito final eran los fondos del actual Museo Geominero. Hoy, estos ejemplares forman parte la colección de Invertebrados fósiles y flora españoles.
Otro aspecto de interés sobre esta colección, es la amplia y numerosa variedad paleontológica representada en su exposición, ofreciendo además información completa sobre taxonomía, procedencia y edad de cada ejemplar. Esto permite obtener una visión aproximada de la gran diversidad paleobiológica española entre los periodos geológicos del Proterozoico Superior al Plioceno, haciendo de la exposición de esta colección una muestra única en su género en nuestro país.
Resalta la presencia de numerosos arqueociatos recopilados en épocas históricas procedentes de todas las localidades clásicas, algunos muy bien conservados; los múltiples restos de trilobites y cruzianas, bivalvos y braquiópodos del Ordovícico de Montes de Toledo; los corales, equinodermos y braquiópodos procedentes de las facies arrecifales del Devónico de Colle y Aviados (León) y Arnao (Asturias) también recopilados en épocas históricas; las plantas fósiles del Carbonífero de la Cornisa Cantábrica; los cefalópodos mesozoicos de la Cordillera Ibérica; los restos de palmeras fósiles del Paleógeno de Tárrega (Lérida); los corales y equinodermos del Paleógeno de Pirineos y la malacofauna pliocena de Almería y Málaga.