Экспозиция третьего, небольшого по площади Подмосковного зала, рассказывает о геологической истории, палеонтологии и палеогеографии Московского региона. Это единственное место в Музее, где все желающие могут в прямом смысле прикоснуться к древностям – здесь разрешено трогать руками некоторые экспонаты: остатки морских беспозвоночных, живших более 300 млн. лет назад. Посетители часто приходят сюда со своими находками и пытаются самостоятельно или с помощью музейных работников их определить. В зале демонстрируется захоронение подмосковных морских лилий и других беспозвоночных – мячковский монолит. Этот уникальный по своей полноте фрагмент дна каменноугольного моря был обнаружен школьницей Е. Тюлиной и руководителем палеонтологического кружка А.А. Эрлангером в 1974 г. в окрестностях с. Мячково Московской области, откуда издавна брали известняк для строительства белокаменной Москвы.
Экспозиция четвертого зала посвящена двум основным темам – изменениям физико- географической обстановки Земли на протяжении конца палеозойской – начала мезозойской эры, а также систематике и филогении низших позвоночных – бесчелюстных, рыб, амфибий и рептилий. Среди раритетов зала в первую очередь необходимо упомянуть Северо-Двинскую галерею, являющуюся историческим ядром экспозиции Музея. Огромный интерес представляют ишеевская фауна поздней перми (открытая благодаря исследованиям И.А. Ефремова), очерская фауна тетрапод поздней перми (сборы П.К. Чудинова), а также результаты раскопок Б.П. Вьюшкова, М.А. Шишкина, М.Ф. Ивахненко и ряда других исследователей. Сборы некоторых триасовых амфибий были переданы в Музей В.Г. Очевым (Саратовский государственный университет). Вниманию посетителей представлены прекрасно сохранившиеся древние рыбы из местонахождения Лоде, причудливые скелеты парейазавров и эстемменозухов, гигантский череп лабиринтодонта мастодонзавра и другие экспонаты зала, позволяющие познакомиться с миром древнейших позвоночных животных.
Пожалуй, самым зрелищным является пятый зал Музея, зал мезозоя. Его экспозиция отражает разнообразие органического мира середины и конца мезозойской эры, когда на планете господствовали динозавры и одновременно с ними жили крокодилы, черепахи, ящерицы, первые птицы, млекопитающие, а также рыбы и другие представители фауны и флоры. Экспозиция расположена на двух этажах: для установки крупных скелетов архитекторами специально был предусмотрен глубокий проем. На одной из стен зала размещены крупные плиты со скелетами уникальных ихтиозавров из Гольцмадена. Особый интерес у посетителей Музея вызывают разнообразные динозавры Северной Америки и Центральной Азии. Здесь представлены скелеты гигантского диплодока, завролофа, тарбозавров, протоцератопсов, пробактрозавров, анкилозавров. Очень информативен и интересен небольшой раздел о происхождении и разнообразии древних птиц. Демонстрируемые в зале экспонаты, в первую очередь, связаны с Совместной советско-монгольской (российско-монгольской) палеонтологической экспедицией, с именами И.А. Ефремова, А.К. Рождественского, Ю.А. Орлова и некоторых других исследователей. Коллекции головоногих моллюсков Ульяновского Поволжья были собраны К.К. Кабановым.
Шестой зал Музея, зал кайнозоя, посвящен истории основных отрядов млекопитающих, смене их фаунистических комплексов, динамике природной обстановки этого времени. Среди раритетов зала скелеты носорогов, наиболее внушительным из которых является индрикотерий – самое крупное наземное млекопитающее, скелеты халикотерия, пещерных медведей, большерогого оленя и уникальное стадо севских мамонтов. Такой экспозиции мамонтов нет ни в одном музее мира. На выходе из зала юные посетители Музея могут померяться ростом с австралопитеком Люси. В зале представлены сборы многих известных палеонтологов: Ю.А. Орлова, Б.А. Трофимова, Н.С. Шевырёвой, В.Ю. Решетова, А.Я. Годиной, Н.М. Яновской, Р.Ф. Геккера и др.
