Il primo nucleo museale si costituì nel 1927 con una raccolta paleontologica ospitata nel salone dell'Archivio comunale situato presso il duecentesco Palazzo del Podestà, sede del municipio. Dal 1990 il museo è allestito presso l'ex Ospedale di Santo Spirito, cinquecentesco edificio di riconosciuto valore architettonico ed urbanistico in quanto unico esempio rimasto a Castell'Arquato di portici connessi alla via Francigena. La collezione si compone di un nucleo iniziale costituito dalla raccolta di molluschi fossili appartenuta all'avvocato e collezionista Odoardo Bagatti e dai resti di un cetaceo fossile rinvenuto nel 1934 sui calanchi di Monte Falcone dal dott. Agostino Menozzi. Si presentano materiali prevalentemente provenienti dal territorio locale la cui particolare formazione pliocenica, conosciuta col termine "Piacenziano", ha restituito rari esemplari di cetacei fossili, tra cui quello sopracitato di Monte Falcone e un altro rinvenuto nel 1983 nei calanchi di Rio Carbonaro. Il percorso espositivo si caratterizza principalmente per tre tipologie di raccolte: la malacofauna del Piacenziano, i cetacei del Pliocene e i vertebrati del Quaternario padano, a cui si sono aggiunti nel tempo i nuclei mineralogico e petrografico, quest'ultimo costituitosi in occasione di campagne di ricerca in aree extraeuropee. Di particolare interesse si segnala la presenza, nella sala centrale del museo, di una gigantesca scultura lignea, opera di Giorgio Rastelli, che riproduce a grandezza naturale una balenottera acutorostrata.