Il Museo di Geologia e Paleontologia ha origine nel 1734 dalla donazione delle collezioni naturalistiche di Antonio Vallisneri senior, medico e scienziato che utilizzava i propri reperti a scopo didattico durante le sue lezioni all'Università di Padova. Alla morte di Vallisneri il figlio Antonio junior donò le collezioni all’Ateneo, che istituì un Museo di Storia Naturale con sede a Palazzo del Bo. A partire dal 1805 iniziò una progressiva divisione delle raccolte che portò alla nascita dei vari musei, tra i quali il Museo di Geologia e Paleontologia.

Nel 1869 la cattedra di Storia Naturale Speciale venne suddivisa in cattedra di Mineralogia e Geologia e cattedra di Zoologia e Anatomia Comparata. La divisione degli insegnamenti comportò anche la separazione delle collezioni. La cattedra di Mineralogia e Geologia fu affidata al Prof. Giovanni Omboni; la sede del Museo di Geologia, Paleontologia e Mineralogia rimase nel Palazzo del Bo.

Da allora le collezioni del Museo sono state arricchite dal lavoro di molti studiosi, tra i quali si ricordano Tommaso Antonio Catullo, Roberto De Visiani, Achille De Zigno, Giovanni Omboni, Giorgio Dal Piaz e Giovanni Battista Dal Piaz. Le collezioni, attualmente appartenenti al Dipartimento di Geoscienze, furono trasferite nell’odierna sede di Palazzo Cavalli nel 1932. Esse sono suddivise in quattro sezioni: rocce, invertebrati fossili, vertebrati fossili e piante fossili (paleobotanica), provengono in prevalenza dall’Italia nord-orientale e sono solo in parte esposte.

Nell’ottobre 2010 il Dipartimento di Geoscienze si è trasferito nel nuovo edificio di via G. Gradenigo, liberando ampi spazi che verranno occupati dalle sale del nuovo Museo della Natura e dell'Uomo dell’Università.
Il Museo riunirà in un solo grande museo gli attuali musei di mineralogia e petrografia, geologia e paleontologia, zoologia e antropologia. Esso si distinguerà sia in Italia sia all’estero per la qualità e la quantità di reperti originali e per il suo carattere di museo universitario. Peculiarità che verranno valorizzate integrando il museo tradizionale con le possibilità offerte dalle moderne tecnologie. Un museo rivolto quindi anche al pubblico generico, nel quale tuttavia la realtà virtuale non depaupera ma esalta il fascino dei reperti originali.