Экспедицию Палеонтологического института в пустыню Гоби (1946–1949 гг.) возгла вил крупный палеонтолог, специалист по древним четвероногим и известный писатель-фантаст И.А. Ефремов (рис. 12). По территории Монголии было пройдено 40 тысяч километров автомобильных маршрутов, в Москву привезено более 100 тонн материалов. В результате этой экспедиции в Музее появились скелеты хищных и растительноядных динозавров, кладки их яиц и окаменевшие отпечатки шкуры, скелеты палеогеновых млекопитающих. Однако для демонстрации новых интересных находок все сложнее было найти место в экспозиции, а тесное помещение стало практически непригодным для музейной работы.
Директор Палеонтологического института академик Ю.А. Орлов был твердо убежден, что Музею нужно просторное здание, где его уникальные собрания будут представлены в полной мере и станут доступны широкому кругу посетителей, в первую очередь, школьникам и студентам. Еще в старом здании Музея на Большой Калужской улице Юрий Александрович вдохновенно рассказывал учащимся о тайнах мироздания, шаг за шагом вводя их в удивительный мир древних животных и растений (рис. 13).
В 1965 г., преодолев череду многолетних согласований, Ю.А. Орлов добился решения правительства СССР о строительстве нового Палеонтологического музея на юго-западе столицы. К сожалению, Юрию Александровичу не суждено было увидеть свое детище. В 1966 г. после кончины Ю.А. Орлова Музею было присвоено его имя.
Проект здания разрабатывался специально для Музея в ГИПРОНИИ АН СССР авторским коллективом, куда входили Ю.П. Платонов (руководитель), В.М. Коган, В.П. Нагих и Л.А. Яковенко. В 1993 г. этот проект был удостоен Государственной премии Российской Федерации. Возведение уникального музейного ансамбля началось в 1972 г. Первый камень в его фундамент был торжественно заложен 22 сентября К.К. Флёровым и Л.А. Невесской (рис. 14). Однако строительство Музея растянулось на долгие полтора десятка лет. Нельзя не отметить огромные заслуги директоров Института, в разные годы возглавлявших организационную деятельность по строительству, научнодидактическому построению и развитию экспозиции нового Музея – Н.Н. Крамаренко (1966–1975 гг.), академика Л.П. Татаринова (1975–1992 гг.) и академика А.Ю. Розанова. Над созданием нового Палеонтологического музея почти два десятилетия трудились сотрудники Палеонтологического института (рис. 15). Вместе с учеными работала творческая группа, в которую входили архитекторы, инженеры-конструкторы, дизайнеры и лучшие художники-анималисты Москвы.
Первые два зала были подготовлены к Международному геологическому конгрессу, проходившему в Москве в 1984 г., а в 1987 г. Музей открылся для широкого круга посетителей. Живописное место, в которое так органично вписалось здание Палеонтологического музея, само по себе располагает к философским размышлениям о природе, на фоне которых легче и естественнее воспринимается неповторимая экспозиция (рис. 16).
Многолетние экспедиционные исследования, проводившиеся сотрудниками Института на территории бывшего СССР, Китая, Монголии и других стран, позволили собрать богатейшие коллекции палеонтологического материала, часть которого демонстрируется в экспозиции Музея. Практически все научные и технические сотрудники Института внесли свою лепту в создание уникального коллекционного фонда.