Geologická zbierka múzea je rozčlenená na mineralógiu, petrológiu, paleobotaniku a paleozoológiu.
Pestrá stratigrafia okresu viedla bývalú kurátorku zbierky (RNDr. Miladu Horákovú, pracovala tu v rokoch 1965 - 73) k tomu, že budovala zbierku s výrazne stratigrafickým a tektonickým zameraním. Okrem stratigrafického vývoja v regióne spracovávala v rámci terénnych výskumov výskyt silicitov v Kremnických vrchoch. Tu nájdené odrody kremeňa sú pre svoj estetický vzhľad veľmi zaujímavé a vo výskumných prácach zisťovala prímesy spôsobujúce zafarbenie opálov, chalcedónov a jaspisov a zistenie závislosti indexu lomu od povahy prímesí, príp. od chemického zloženia. Z cenných zbierkových predmetov možno uviesť z mineralogických zbierok monokryštál biotitu zo Zabajkalska, zlato a antimonit z Kremnice, zlato z Magurky, celestín z Banskej Štiavnice, meď zo Španej doliny a euchroit z Ľubietovej. Významná je zbierka hornín, minerálov a skamenelín (najmä nekompletná lebka medveďa jaskynného a neúplná kostra mamuta) Andreja Kmeťa, ktoré získal vlastným zberom, resp. darom. V petrologickej časti zbierky je výrazne zastúpená väčšina hornín charakterizujúcich región Turca.

Paleontologická zbierka pozostáva z bohatej kolekcie karbónsko - permských odtlačkov rastlín z ostravsko - karvinského revíru na Morave, trilobitovej fauny z Čiech, fauny amonitov a brachiopódov z Veľkej Fatry. Pomerne bohato je zastúpená treťohorná fauna a flóra Turčianskej kotliny.

V roku 2004 boli do zbierkového fondu zaradené predmety získane z vlastných najnovších výskumov. Ide hlavne o kostrové zvyšky medveďa jaskynného (Ursus spelaeus Ros.) a kolekcia amonitovej fauny Dr. Andrusovovej, Dr. Peržela a Dr. Bendíka z Veľkej Fatry.

Počas posledných rokov sa múzeu podarilo získať vzácne zbierky minerálov zo zaniknutých lokalít Slovenska, Čiech a Rumunska. OKrem toho to boli aj bohaté zbierky paleonotlogického charakteru zo Slovenska a sveta.