La Sezione Geologica comprende ricche raccolte di minerali, rocce e fossili. I numerosi minerali esposti provengono da vari paesi ed offrono una panoramica generale della geodiversità globale; le collezioni di rocce hanno invece interesse prevalentemente locale (provincia di Siena, Monte Amiata e miniere della Toscana meridionale). Tra i pezzi più appariscenti, un geode di ametista viola del diametro di oltre mezzo metro. I fossili provengono prevalentemente dalla Toscana meridionale e coprono un arco temporale compreso tra il Carbonifero (circa 300 milioni di anni fa) e l’Olocene (epoca che va da circa 12.000 anni fa ad oggi). Gran parte dei reperti proviene però dal Bacino Pliocenico di Siena, l’esteso mare che ricopriva questo territorio tra i 5 e i 3 milioni di anni fa circa. Tra i reperti non toscani, i peli di un cucciolo di mammuth siberiano e tre denti di megalodonte, un gigantesco squalo ormai estinto.
