La colección de vertebrados fósiles españoles comprende casi 6.200 ejemplares procedentes de diversos yacimientos españoles. Entre ellos destacan 12 holotipos. Cerca de 735 ejemplares de esta colección, junto a un centenar de restos de vertebrados fósiles procedentes de localidades no españolas, se encuentran expuestos al público en la primera planta del museo, formando parte de una exposición que ocupa 27 vitrinas. En esta exposición de vertebrados fósiles se ha seguido un criterio de ordenación de los ejemplares de tipo evolutivo, desde los peces a los homínidos.

La mayor parte de los restos de vertebrados fósiles españoles son cenozoicos (2.928 del Cuaternario, 2.307 del Neógeno y 297 del Paleógeno), siendo los más escasos los fósiles paleozoicos. La gran mayoría son mamíferos del Pleistoceno español como roedores, lagomorfos (Oryctolagus, Lepus), quirópteros (Myotis), carnívoros (Crocuta, Ursus, Canis, Panthera, Lynx, Meles, Vulpes), bóvidos (Capra, Hemitragus, Bison, Myotragus), cérvidos (Cervus), équidos (Equus, Stephanorhinus), y algunos restos de suidos, hipopótamos y proboscídeos. En el Neógeno son abundantes los peces (sobre todo osteíctios del yacimiento mioceno de Hellín, en Albacete) y los mamíferos. Entre los mamíferos del Neógeno pueden citarse géneros típicos del Mioceno y Plioceno como Anchitherium, Hipparion, Alicornops, Hispanotherium, Gomphotherium, Tetralophodon, Decennatherium, Listriodon, Heteroprox, Tragoportax, Nyctereutes, Pachycrocuta, Croizetoceros, Gazellospira… En el Cretácico los peces son los dominantes, mientras que en el Triásico y en el Paleógeno hay más representación de reptiles (con placodontos y notosaurios del Triásico, y quelonios y el cocodrilo Diplocynodon en el Paleógeno). Ya en el Paleozoico destaca la muestra de conodontos del Ordovícico, Silúrico y Carbonífero.