Samostatné paleontologické oddělení vzniklo v roce 1964. Historie jeho sbírky však sahá až do let založení muzea, kdy první paleontologickou kolekci věnoval muzeu Kašpar M. hrabě Sternberg.
V současné době kurátoři oddělení spravují přibližně 5 milionů sbírkových předmětů. Hlavním předmětem práce oddělení je péče o sbírku včetně získávání nových přírůstků. Obohacování sbírky se děje jak vlastním sběrem tak prostřednictvím nákupů a darů. Největší akvizicí poslední doby je dar 3 500 kusů fosilních rostlin a živočichů od společnosti Severočeské doly a.s. Sbírka byla více než třicet let vytvářena Zdeňkem Dvořákem a dalšími zaměstnanci dolů. Oddělení každoročně navštěvuje velké množství českých i zahraničních badatelů, kteří sbírkový materiál studují v rámci vlastních i společných vědeckých projektů.
Vědecká činnost je další nedílnou součástí práce oddělení. Vlastní vědecká činnost kurátorů je často založena přímo na sbírkových předmětech oddělení. Pracovníci oddělení pravidelně publikují v renomovaných vědeckých časopisech a účastní se mezinárodních symposií. V nedávné době byl mediálně prezentován např. článek o nejstarší polysporangiátní rostlině, který vyšel v prestižním časopise Nature Plants. Oddělení edičně spravuje časopis Fossil Imprint registrovaný v databázi Scopus a přírodovědeckou řadu Časopisu Národního muzea.
Další důležitou součástí činnosti je zapojení do národních i mezinárodních vědeckých a muzeologických projektů, které zapojují Národní muzeum do celosvětové vědecké infrastruktury. Nepostradatelným pro vědeckou činnost je kvalitní laboratorní a přístrojové vybavení. Paleontologické oddělení disponuje jak technickým zázemím pro preparaci fosílií, tak vybavením pro jejich vědecké zhodnocení, např. optickým a fluorescenčním, nebo elektronovým mikroskopem. Je prvním paleontologickým pracovištěm v zemi užívajícím intenzivně nedestruktivní metody výzkumu pomocí microCT.
V rámci oddělení je také budována specializovaná paleontologická knihovna a archiv, které jsou systematicky doplňovány jako nákupy tak dary. Vedle výstavní a expoziční činnost spočívá popularizační aktivita oddělení zejména v pořádání přednášek, např. v rámci Společnosti Národního muzea. Důležitou složkou naší popularizační činnosti je spolupráce s Českým rozhlasem a Českou televizí na populárně vědeckých pořadech. Důležitou roli hraje spolupráce s populárně vědeckými časopisy jako je Vesmír nebo National Geographic.
