Die Anfänge der heutigen Bayerischen Staatssammlung für Paläontologie und Geologie gehen auf die Naturaliensammlung der "Churbaierischen" Akademie der Wissenschaften zurück, die 1759 gegründet wurde. Frühe bedeutende Zuwächse erhielt sie durch die Bestände des Mannheimer Naturalienkabinetts und die Sammlungen der Universität München bei deren Verlegung von Landshut nach München. Im Jahre 1843 erlangten die Paläontologische und die Geologische Sammlung mit der Bestellung von Johann Andreas Wagner und Karl Franz Emil von Schafhäutl zu Konservatoren ihre Selbständigkeit. Beide wurden in Personalunion auch Lehrstuhlinhaber an der Universität München, eine Verbindung, die als Münchner Modell bis heute besteht. Die Paläontologische Sammlung, damals angesiedelt in der "Alten Akademie" an der Neuhauserstraße, erhielt die offizielle Bezeichnung "Paläontologisches Museum".

Unter Karl Alfred von Zittel erlangte die Münchener Paläontologie Ende des 19. Jahrhunderts Weltruf. Die geologische und die paläontologische Sammlung wurden unter seiner Leitung erstmals vereinigt. Nach Zittels Tod 1904 übernahm August Rothpletz die Leitung. Ihm ist der Lehrstuhl für Geologie zu verdanken, für dessen Einrichtung er in seinem Testament der Universität eine hohe Geldsumme vermachte. Damit verbunden war eine erneute Trennung der unter Zittel vereinten Sammlungen.

Während des 2. Weltkriegs wurde die Alte Akademie 1944 durch Bombenangriffe zerstört. Mit ihr wurden ein Großteil der Sammlungsbestände und sämtliche Ausstellungsobjekte des Paläontologischen Museums vernichtet. Nur wenige der bedeutenden Fossilien waren von Mitarbeitern rechtzeitig ausgelagert worden.

Nach Kriegsende bezogen die Paläontologische und die Geologische Sammlung sowie die gleichnamigen Universitätsinstitute das Gebäude Richard-Wagner-Straße 10, der früheren königlich-bayerischen Kunstgewerbeschule in der Maxvorstadt. Die Sammlungen erreichten durch umfangreiche Zuwächse bald wieder internationalen Ruf. Ab den 1960er Jahren konnte auch das Paläontologische Museum wieder eine ansehnliche Schausammlung präsentieren. Später folgte das Geologische Museum mit Ausstellungen zur Lagerstättenkunde und zur Geologie Bayerns.

Im Jahr 2000 wurden die Bayerische Staatssammlung für Paläontologie und historische Geologie und die Geologische Staatssammlung zur neuen Staatssammlung für Paläontologie und Geologie vereinigt.

Die Geschichte der Staatssammlung ist mit einer Reihe namhafter Paläontologen und Geologen verbunden. In der Vorkriegszeit waren dies u.a. Albert Oppel, Karl Emil von Schafhäutl, Karl Alfred von Zittel, Ernst Freiherr Stromer von Reichenbach, August Rothpletz , Erich Kaiser, Ferdinand Broili, Karl Boden und Edgar Daqué. In der Nachkriegszeit war der Wiederaufbau und die Erlangung internationaler Bedeutung allen voran Richard Dehm und Albert Maucher sowie deren Nachfolgern und Mitarbeitern zu verdanken.