Muzejní geologická sbírka zahrnuje 5 podskupin (paleozoologii, paleobotaniku, petrografii, mineralogii a všeobecnou geologii). V podskupině Paleozoologie (1 500 položek) najdeme zkameněliny ze všech významných lokalit regionu (především z čelechovického devonu a zaniklé lokality třetihorních písků u Slatinek, zastoupeny jsou i další mladotřetihorní lokality písků a vápenců). Podskupina Paleobotanika v 350 položkách představuje ukázky fosilních rostlin (především přesliček) v drobách a břidlicích z období spodního karbonu (prvohory). Regionálně zaměřená petrografická sbírka (1 300 kusů) zahrnuje všechny typy hornin různého stáří od prekambria až po čtvrtohory. Okrajovými podskupinami geologické sbírky jsou všeobecná geologie (150 položek) a mineralogie (400 položek). V první z nich najdeme třeba ichnofosilie (stopy po lezení a dalších činnostech živých organismů). V mineralogické sbírce jsou ukázky základních minerálů, pravděpodobně se jedná o různé relikty školních sbírek minerálů, které byly v minulosti převedeny do muzea. Sbírka není systematicky rozšiřována.
     Základ muzejní geologické sbírky byl položen především činností členů Přírodovědného kroužku, který při prostějovském muzeu založil v roce 1955 Ing. V. Souček. Kolekce hornin a zkamenělin z Čelechovic, Slatinek, Stínavy a dalších zajímavých lokalit Prostějovska sbírali dr. M. Ovečka, J. Sedlák, L. Snášel a Ing. V. Souček. Kulmské droby se zbytky pravěkých rostlin věnoval muzeu H. Hostinek. Získané vzorky obohatily muzejní geologickou sbírku a nejlepší kusy byly využity i ve stálé  geologické expozici, která byla otevřena v muzeu v roce 1966. Tato expozice, s jejíž přípravou pomohli i renomovaní čeští geologové I. Chlupáč a V. Kalabis, byla na tehdejší dobu velmi moderní a zdařilá. Jen málo muzeí okresního formátu se mohlo v té době pochlubit tak kvalitní a ucelenou geologickou charakteristikou regionu.
     V. Kalabis věnoval do geologické sbírky prostějovského muzea cennou kolekci miocenních zkamenělin (ježovky, plži, mlži, červené řasy a mechovky) z dnes již neexistují pískovny u Slatinek. I. Chlupáč poskytl vzorky ze stínavského a ludmírovského devonu. K nejhodnotnějším vzorkům z paleozoologické části sbírky patří zkameněliny z čelechovického devonu, kterou svými dary drsnatých a deskatých korálů, stromatopor, trilobitů, brachiopodů a dalších zkamenělin obohatil známý sběratel F. Ficner.
     Od 80. let 20. století přibyly do muzejní sbírky vzorky z novodobých geologických výzkumů. Sbírka je rozšiřována především vlastními sběry na lokalitách v terénu, okrajově jsou geologické vzorky nakupovány. Z unikátní geologické lokality, kterou je jediný výskyt siluru u Stínavy v Repešském žlebu, pocházejí ukázky jílových břidlic s graptolity. Od počátku 90. let 20. století probíhal v muzeu výzkum hornin typických pro Moravu – sedimentů karpatské předhlubně.  Ukázky neogenních vápenců, jílů a písků s četnými zkamenělinami ústřic, hřebenatek, červených řas a mechovek pocházejí z Laškova, Hluchova, Otaslavic, Kelčic, Služína Seloutek, Přemyslovic a Čech pod Kosířem.