Палеонтологический (первоначально – Палеозоологический) институт был организован в Ленинграде в 1930 г. в составе Отделения биологических наук АН СССР на основе палеонтологической части Геологического музея. Мысль о его создании сформировалась у А.А. Борисяка еще в 1920-е гг., когда палеонтологические работы концентрировались в Геологическом комитете. На первых порах основными направлениями работы нового института были исследования систематического состава вымерших групп организмов, выявление их филогении, изучение закономерностей эволюции организмов – как в связи с изменениями окружающей среды, так и в результате развития внутренних тенденций.
Перед палеонтологами стоит величественная задача изучения колоссального разнообразия организмов, которые миллионы и миллиарды лет назад жили на Земле. Познание этого разнообразия и его описание является фундаментом всех дальнейших исследований. С самого начала структура научных подразделений института была организована по систематическому принципу. И сегодня каждая из 11 лабораторий объединяет специалистов по одной из крупных групп организмов (например, моллюскам, членистоногим, пресмыкающимся, млекопитающим, растениям и т. д.), либо определенному комплексу групп (древнейшие скелетные или докембрийские организмы). Статус лаборатории имеет и Палеонтологический музей, включающий Научно-экспозиционную группу с научно-исследовательскими функциями и задачами. Крупные проблемы общего характера, интересные, например, с точки зрения эволюции экосистем и биосферы, биологического разнообразия, изучения кризисов и т. п., разрабатываются на уровне межлабораторных творческих коллективов и объединений, возникновение и развитие которых, как правило, не требует административного управления.
В 1934 г. при Институте был создан Палеонтологический музей, а в 1936 г. институт был переведен в Москву и стал называться Палеонтологическим. Штат института тогда включал 16 научных и 13 научно-технических сотрудников. Кроме А.А. Борисяка, среди них были такие известные ученые как Ю.А. Орлов, Р.Ф. Геккер, А.В. Мартынов, И.А. Ефремов, Т.Г. Сарычева, Д.В. Обручев, Е.И. Беляева, В.В. Меннер, Е.А. Иванова, Е.Д. Сошкина. Вскоре в институт пришли М.И. Шульга-Нестеренко, А.П. Быстров, В.Е. Руженцев, Е.Э. Беккер-Мигдисова, Р.Л. Мерклин, К.К. Флёров, О.М. Мартынова и другие. Вокруг крупных фигур начали складываться научные школы по изучению различных ископаемых животных – млекопитающих, рептилий, амфибий, насекомых, аммонитов, брахиопод, мшанок, кораллов. Институт проводил многочисленные экспедиции, организовывал совещания, начал публиковать серийные и продолжающиеся издания: «Труды Палеонтологического института АН СССР», «Палеонтологическое обозрение», «Палеонтология СССР».
В 1937 г. в Москве открылся Палеонтологический музей, расположившийся в половине здания бывшей конюшни Нескучного дворца на Большой Калужской улице (ныне Ленинский проспект, здание Минералогического музея им. А.Е. Ферсмана РАН). Открытие было приурочено к XVII сессии Международного геологического конгресса в Москве. Над созданием экспозиции работали А.А. Борисяк, Ю.А. Орлов, И.А. Ефремов, Р.Ф. Геккер и другие. Их основные экспозиционные и дидактические идеи позже были реализованы в полном объеме в новом здании музея на Профсоюзной улице.
В дни Великой Отечественной войны сотрудники института переключились на решение производственных геологических задач, связанных с нуждами обороны страны. Многие работали в экспедициях, которые исследовали потенциально нефтеносные отложения и вели поиск полезных ископаемых. Невозможно переоценить важнейшую работу по сохранению музейных и научных коллекций в Москве и в эвакуации, проведенную Е.А. Ивановой, Т.А. Добролюбовой и Н.В. Кабакович. В 1943 г. коллекции института были возвращены в Москву, экспозиция музея была восстановлена и уже в ноябре 1944 г. открыта для посетителей. С 1945 по 1973 гг. заведующим музеем был профессор К.К. Флёров – крупный ученый и выдающийся художник-анималист, чьи произведения украшают экспозиционные залы многих музеев.
