Nello scenario architettonico della rocca malatestiana, che si propone al tempo stesso come contenuto e contenitore dei musei cittadini, il museo paleontologico, che dal 1981 è ospitato nelle sale al pian terreno, consente di compiere un lungo viaggio a ritroso nel tempo per rivisitare l’antico scenario naturale marino e gli esseri viventi che durante le fasi sommitali del Miocene (circa 6 milioni di anni fa) caratterizzavano questa porzione di Appennino lungo le vallate del Foglia e del Conca. Si tratta di ricco patrimonio paleontologico, costituito soprattutto da fossili di pesci -appartenenti ad oltre venti specie diverse - resti di foglie (filliti) e testimonianze dell’avifauna, provenienti dalla particolare roccia sedimentaria, di colore chiaro e dalla tipica tessitura farinosa e laminare, nota come “tripoli”, originata da microrganismi di natura silicea la cui deposizione risale al Messiniano iniziale. Completano la raccolta serie minori di fossili di varia provenienza e un cenno sull'evoluzione dei pesci, dalla loro origine ad oggi. Grazie anche un ricco apparato didattico costituito da pannelli e plastici, nel percorso museale le preziose testimonianze del giacimento di Mondaino vengono inquadrate, sia dal punto di vista geologico sia da quello evoluzionistico, nel più generale quadro regionale e nel constesto relazionale delle altre formazioni dello stesso ambito territoriale. Il museo è dotato di una biblioteca scientifica e si caratterizza come laboratorio di ricerca paleontologica verso cui convergono studiosi e collezionisti.