
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.

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.