Профессор В.П. Амалицкий (рис. 7) в результате многолетних раскопок в начале ХХ в. собрал обширную коллекцию палеонтологических материалов (рис. 8). Они легли в основу Остеологического отдела и Северо-Двинской галереи, в которой были представлены скелеты пермских позвоночных.
В 1925–1930 гг. Остеологический отдел Музея пополнился скелетами и черепами носорога брахипотерия, мастодонта, трагонтериевого слона, пещерного медведя. Наиболее крупными экспонатами отдела были слепок скелета динозавра диплодока из Северной Америки и скелет гигантского безрогого носорога индрикотерия из Казахстана. В 1930 г. Музей посетило более семи тысяч человек.
Правопреемником уникальных коллекций Музея стал Палеозоологический (позднее Палеонтологический) институт, основанный в 1930 г. С тех пор судьбы Музея и Института оказались неразрывно связаны: Музей развивался как часть Института, демонстрирующая как уникальные находки прошлого, так и его современные научные достижения. В то время в Институте появилось много новых талантливых сотрудников, сыгравших большую роль не только в развитии палеонтологических исследований, но и в становлении Музея: Ю.А. Орлов, И.А. Ефремов, Р.Ф. Геккер, Е.И. Беляева, А.В. Мартынов, А.П. Гартман-Вейнберг, В.С. Бишоф, Я.М. Эглон. Палеонтологическая экспозиция демонстрировались в Ленинграде в двух залах общей площадью 1500 кв. м.
В 1931 г. А.П. Гартман-Вейнберг был разработан план расширенной экспозиции с включением наиболее интересных экспедиционных материалов, однако из-за переезда Института в Москву его полностью реализовать не удалось.
Официальное открытие Палеонтологического музея в Москве состоялось 14 сентября 1937 г. и было приурочено к XVII сессии Международного Геологического конгресса. Музей располагался в одном из строений усадьбы графа А. Орлова на Большой Калужской улице (рис. 9), позднее Ленинский проспект, 16. В 1934 г. заведующим Музеем был назначен Ю.А. Орлов – всесторонне образованный ученый, интересы которого были сосредоточены во многих областях палеонтологии (млекопитающие, рептилии, кишечнополостные, двустворчатые моллюски, членистоногие и др.). Кроме того, Юрий Александрович был блестящим популяризатором науки, его регулярно переиздаваемые научно-популярные книги остались в памяти нескольких поколений и до сих пор не потеряли своей актуальности. В это время в Институте начали работать К.К. Флёров, Д.В. Обручев, А.Г. Эберзин, Т.Г. Сарычева, Б.Б. Родендорф, Е.А. Иванова, Н.В. Кабакович, Т.А. Добролюбова, Е.И. Беляева, Р.Л. Мерклин, А.П. Быстров и другие. Многие из них сыграли большую роль в развитии Палеонтологического музея.
Несмотря на небольшие размеры экспозиционной площади (менее 1000 кв. м), в Музее нашли свое место наиболее яркие и выразительные экспонаты из сборов разных поколений отечественных палеонтологов. В кратком путеводителе по Палеонтологическому музею описываются демонстрировавшиеся в двух залах экспонаты: в первом Северо-Двинская галерея и несколько коллекций позвоночных из последних раскопок, во втором – пермские насекомые, фауна каменноугольных морских беспозвоночных Подмосковья и материалы по морской палеоэкологии.
