Im Fokus der naturgeschichtlichen Sammlung stehen Paläontologie und Geologie: Herausragende Fossilienfunde aus der Region Heilbronn-Franken geben umfassenden Einblick in die Entwicklung des Lebens während der Trias-Zeit, zwischen 252 und 201 Millionen Jahren vor heute. Zum Bestand zählen einige der ältesten Knochen von Dinosauriern in Europa sowie Skelettreste der größten Lurche der Erdgeschichte, aber auch einmalige Nachweise von Pflanzen aus der Keuper- und bizarre Lebensformen aus der Muschelkalk-Zeit, darunter etwa ein seltener Schädel des Meeresreptils Nothosaurus. Von überregionaler Bedeutung sind auch die reichen eiszeitlichen Funde aus Heilbronn Frankenbach – sie geben Einblick in die Tierwelt vor rund 600.000 Jahren.

Die Beschäftigung mit der Erdgeschichte reicht in Heilbronn nachweislich bis ins 18. Jahrhundert zurück; aus dieser Zeit stammt ein erster Katalog der vor Ort gefundenen Fossilien. Im 19. Jahrhundert leistete der Geologe und Salinist Friedrich von Alberti Wegweisendes für die erdgeschichtliche Forschung – anhand von Heilbronner Funden bestimmte und benannte er erstmals das Erdzeitalter der Trias.

Bürgerschaftliches Engagement ermöglichte über die Jahre den schrittweisen Ausbau der Bestände, der jedoch im Bombardement des Zweiten Weltkriegs zu großen Teilen zerstört wurde. Nach Kriegsende begann der Wiederaufbau der naturhistorischen Sammlung durch zahlreiche regionale Funde. Ankäufe und Schenkungen bereicherten den Bestand – zu nennen sind hier insbesondere die rund 3000 Objekte umfassende Mineraliensammlung von Hugo Killgus und die geologisch-paläontologische Sammlung Otto Links. Abgüsse wertvoller Originale, etwa vom Schädel des Steinheimer Urmenschen, sowie ein beträchtliches Konvolut fossiler Hölzer runden den heutigen Sammlungsbestand ab.