Desarrolla y conserva colecciones científicas de referencia de fósiles invertebrados y vertebrados. Desarrolla actividades de curaduría e investigación paleontológica en territorio nacional, y genera información científica sobre el pasado biológico del país. Contribuye al control y supervisión de las actividades paleontológicas en territorio nacional, velando por el uso racional y correcto del registro fósil, cualquiera sea el estado y forma en que se encuentren.

La Unidad de Paleontología del Museo, se constituye en el repositorio más grande e importante de fósiles del país, con más de 27.000 especímenes de fósiles catalogados entre vertebrados e invertebrados y en desarrollo colecciones de plantas y de huellas fósiles. Resaltan tipos fósiles con valor universal y muestras únicas de la fauna extinta.

La Unidad de Paleontología cuenta con dos áreas de investigación: Invertebrados y Vertebrados. Las actividades se desarrollan en trabajos de campo (exploración, recolección de fósiles), laboratorio (preparación y reconstrucción de fósiles) y gabinete de interpretación (identificación osteológica, determinación taxonómica, catalogación) y desarrollo de colecciones y de base de datos. 

Las campañas y estudios paleontológicos se desarrollan en cooperación con entidades extranjeras y nacionales, principalmente, en los Departamentos del Occidente del país, (La Paz, Oruro, Potosí, Chuquisaca, Cochabamba, y Tarija).  

La información generada, producto del estudio y de la interpretación de los fósiles y su contexto, se plasman en publicaciones de artículos científicos en revistas internacionales indexadas y en revistas nacionales.  Realizan la difusión masiva, mediante notas periodísticas escritas, televisivas, radiales, redes sociales y exposiciones.