河套人。河套人是内蒙古地区迄今所知最早的古人类化石，1922年首次发现于鄂尔多斯市乌审旗萨拉乌苏河流域，是东亚大陆出土的最早旧石器时代人类遗骸，属于人类进化中的智人阶段。截至2017年8月，萨拉乌苏河流域发现并研究的河套人化石共25件，其中17件收藏在内蒙古博物院。根据发现的肢骨化石推断，其成年男性身高可能约为161.8厘米，比山顶洞人矮，高于柳江智人和北京直立人。河套人除了能制造简单的工具外，还能制作细石器和骨器等工艺比较复杂的工具进行渔猎，并掌握了用火熟食和取暖技术，其生存年代大约距今13.5万年到7.5万年前。
草原猛犸象。20世纪80年代，内蒙古呼伦贝尔市的扎赉诺尔煤矿先后发现了3具猛犸象骨骼化石，其中两具猛犸象骨骼化石收藏于内蒙古博物院。草原猛犸象是更新世时期遍布欧亚大陆和北美大陆的寒带及寒温带地区的披有长毛的古象类，是第四纪冰川时代或冰缘环境下生存的珍奇巨兽。
原地埋藏的披毛犀。这是两具沉睡了大约33000年之久的披毛犀化石，1980年发现于扎赉诺尔露天煤矿距地表39米深的古河床内。它们头朝北，尾朝南，身体呈相对侧卧姿势，两头骨相距仅50厘米，体长约3米，骨骼完整程度达90%以上。研究推断可能是一对情侣吃饱喝足后，正相拥而眠，突然轰然一声巨响发生雪崩，瞬间就被厚厚的积雪埋藏，一对鲜活的生命瞬间定格于此时此刻，成为生物进化史上的经典之作。
除了这些考古工作者发掘的远古世纪古生物化石，内蒙古博物院为了更好地开展古生物化石的科学传播和社会教育工作，还征集、收藏了一些其他地区发现的化石，它们有产地为云南省富源县、生存时代为距今2亿3000万年前的鱼龙类——萨斯特鱼龙和黔鱼龙；2004年征集自甘肃省的中新世晚期的中华原恐象下颌骨。在中国，虽然发现了多种象类化石，却从未发现过恐象化石，这件化石的发现改变了“恐象没有进入中国大陆”这一结论，扩大了恐象的分布范围，具有极其重要的科学价值。
