Les pièces marquantes de la collection comprennent la plus ancienne faune terrestre connue du Carbonifère provenant de Joggins, en Nouvelle-Écosse ; la plus vaste collection de fossiles invertébrés ordoviciens des Basses-Terres du Saint-Laurent (environ 150 000 spécimens) ; et une remarquable collection de fossiles des schistes de Burgess réunie par T. H. Clarke en 1924 ainsi qu’environ 1 000 spécimens types et figurés. Le musée possède également tous les spécimens de plantes fossiles décrits par Dawson, notamment les plus anciennes plantes vasculaires du Dévonien de l’est du Canada. Les objets de la collection permanente exposés dans la galerie Dawson, autour d’un squelette de Gorgosaurus libratus, retracent l’histoire de la vie au Canada il y a des milliards d’années.
Fossiles invertébrés
Le musée conserve la plus vaste collection d’invertébrés ordoviciens des Basses-Terres du Saint-Laurent (à peu près 30 000 spécimens) ainsi que la collection de recherche de stromatoporoides de Colin Stearn (environ 2 000 lots de lames minces et d’échantillons originaux). Le musée abrite aussi une petite collection de fossiles des schistes de Burgess recueillis par T. H. Clark au cours d’une expédition en Colombie-Britannique en 1924.
Fossiles vertébrés
Parmi les pièces les plus importantes de la collection de vertébrés, on trouve les plus anciens fossiles vertébrés terrestres connus du Carbonifère, de Joggins, en Nouvelle-Écosse, des mammifères marins du Pléistocène de la mer Champlain et la collection R.L. Carroll de vertébrés primaires sous la forme de moulages en latex et de moulages solides.
Plantes fossiles
Le musée détient toutes les espèces de plantes fossiles répertoriées par Dawson, parmi lesquelles les plus anciennes plantes vasculaires du Dévonien de l’est du Canada.
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