Геологические образцы собирались в экспедициях на научных судах Академии наук СССР (РАН): «Профессор Добрынин», «Шельф», «Витязь», «Академик Курчатов», «Дмитрий Менделеев», «Профессор Штокман», «Академик Мстислав Келдыш», «Академик Иоффе», «Академик Сергей Вавилов». В коллекции имеются пробы грунта, полученные при глубоководном бурении на судне «Гломар Челленджер». Уникальные образцы железомарганцевых конкреций и корок, фосфоритов, фрагментов сульфидных построек черных и белых курильщиков, распространенных в гидротермальных зонах срединно-океанических хребтов, собраны с помощью подводно-технических операций, проводимых с глубоководных обитаемых аппаратов «Мир-1» и «Мир-2».

Наиболее полно в коллекции представлена геология Атлантического океана и Балтийского моря. Особое место в фондовом собрании занимают образцы балтийского янтаря. Вес самого крупного образца составляет 1200 г.

Гордостью коллекции являются образцы, добытые в экспедициях на НИС «Витязь»: первый в нашей стране образец глубоководной красной глины (2-й рейс, 1949 г.) и образец донного осадка Марианской впадины (25-й рейс, 1957 г.).

Коллекция метеоритов включает образцы основных типов метеоритов, уникальные образцы с Луны и Марса, импактиты из нескольких земных кратеров, а также тектиты из разных стран, включая редкие бедиазиты из Америки и иргизиты из Казахстана. Самым крупным образцом коллекции является индивидуальный экземпляр Сеймчан ̶ железокаменный метеорит, вес которого составляет 190 кг. Всего в мире известно 38 таких метеоритов, как Сеймчан. В коллекции также присутствуют несколько осколков Челябинского метеорита.