В музей поступила уникальная коллекция раковин ископаемых головоногих моллюсков аммонитов, значительная часть которой уже представлена в экспозиции.

В числе коллекции присутствуют раковины, найденные при разработке выемки Президентского моста. Сообщается, что на сегодняшний день местонахождений  данного комплекса аммонитов практически не осталось, так как основная масса находок происходила из естественных разрезов в черте города.

В витринах палеонтологического зала размещены и раритетные материалы, собранные палеонтологами на территории Ульяновской области в разное время. В их числе раковины развернутых аммонитов, сохранность и полнота которых не имеет аналогов в других подобных собраниях музеев не только нашей страны, но и зарубежья, раковины ископаемых наутилусов, редчайшие экземпляры раковин головоногих с сохранившимся челюстным аппаратом, фрагмоконы безростровых кальмароподобных волгобесусов, ископаемые рыбы и многое другое.

К числу аммонитов с развернутым типом строения раковины, представленным в экспозиции, относятся представители, впервые описанные с территории Ульяновской области нынешним директором музея Ильей Стеньшиным. В 2014 году им были выделены аммониты, в названиях которых увековечили топонимы Сенгилеевского района как места, вблизи которых были сделаны находки – п. Елаур, с. Вырыстайкино, д. Мордово, ручей Брусянка и Калиновый овраг. В настоящее время в музей поэтапно передается коллекция головоногих, переданная с территории Ульяновской области на кафедру палеонтологии Московского государственного университета.

Весомо пополнили коллекцию музея и остатки ископаемых морских рептилий. В одной из витрин музея размещен скелет эласмозавра. На сегодняшний момент это один из наиболее полных скелетов, известных в России (при жизни имел длину порядка 7 м). Скелет был найден в окрестностях поселка Сланцевый рудник и извлекался в течение нескольких лет, так как вскрылся на поверхность не сразу. К его описанию уже приступила международная группа ученых, в составе которой находятся и сотрудники Ундоровского палеонтологического музея.

Сравнительно полный скелет другой рептилии – ихтиозавра Leniniastellans – в настоящее время выставлен в экспозиции лишь частично, так как пока отпрепарирован лишь череп рептилии. Остальная часть скелета будет выставлена после завершения работ. Описание этого представителя ихтиозавров было сделано международной группой ученых в 2013 году, однако голотип (экземпляр, на основе которого выполнено первое описание) представлен лишь фрагментом черепа, в настоящее время находящимся в экспозиции Ульяновского областного краеведческого музея. Пересмотрение описания этого ихтиозавра на основе практически полного скелета, в составе которого находится уже полный череп с сохранившимся склеротическим кольцом, одно из ближайших направлений научно-исследовательской работы Ундоровского палеонтологического музея, а также задач международного авторского коллектива.