古脊椎动物指已灭绝的史前生物中具有脊柱特征的动物，包括恐龙、始祖鸟、猛犸等。我国多数古脊椎动物化石均被中国古动物馆中的古脊椎动物馆收藏。馆中陈列着中国从事古脊椎动物学研究的几代科学家半个多世纪以来调查采集到的 自5亿年前的寒武纪至距今1万年前史前时代的地层中产出的各门类脊椎动物化石标本，包括无颌类、有颌鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类、哺乳动物等。全面展示了自寒武纪以来产自中国各个地质时代的古脊椎动物群落独有的生态面貌。