In der 1864 begonnenen Anhaltischen Geologischen Landesammlung sind besonders hervorzuheben zahlreiche Fossilien aus Latdorf bei Bernburg, der heute nicht mehr zugänglichen, international bedeutenden Typuslokalität für eine Stufe des Alttertiärs, und Schädel von „Bernburger Sauriern", Dachschädellurchen aus der Buntsandsteinzeit.

1929 konnte die umfangreiche geologische Kollektion von Dr. SCHMITT aus Köthen übernommen werden mit geologischen Objekten aus der Köthener Umgebung.

Die Sammlung umfasst ein weites Spektrum geologischer Schichten und Zeitalter, vom Grundgebirge der Erdurzeit über fossilisierte Mansfelder Kupferschieferheringe und Wettiner Steinkohlepflanzen des Erdaltertums bis zu tertiären Seekuh-Resten aus Helmstedt und eiszeitlichen Geschieben und Mammut-Zähnen der Erdneuzeit aus Köthener Braunkohletagebauen und Tongruben.

Mit einer Ausstellung der Mineralien-Sammlung von E. VENATOR aus dem 19. Jahrhundert wurde das MNVD 1927 eröffnet. Die Dauerausstellung des MNVD wurde im 2. Weltkrieg zerstört, so dass heute nur die Magazinbestände erhalten sind, knapp die Hälfte des ursprünglichen Umfangs von 6.000 Mineralien aus aller Welt.

Die Tradition der Anhaltischen geologischen Landessammlung wurde nach 1945 fortgesetzt mit Aufsammlungen und Grabungen an geologischen Fundpunkten in einem Umkreis von 100 km rund um Dessau-Roßlau. Ein besonderer Schwerpunkt liegt seit 1995 in der Erfassung der alttertiären Faunen Sachsen-Anhalts.

1966 wurde die umfangreiche geologische Sammlung von G. HEINZE dem MNVD übergeben, vor allem mit Tertiär- und Geschiebe-Fossilien aus der Dessau-Roßlauer Umgebung sowie jungtertiären Schnecken und Muscheln aus Norditalien.

Auf der Suche nach Rohstoffen wie Braunkohle und Kupferschiefer wurden vor allem in den fünfziger Jahren mehrere Bohrungen in der Dessau-Roßlauer Umgebung abgeteuft. Die Bohrkernproben dokumentieren den Aufbau des geologischen Untergrundes der Dessau-Roßlauer Region, z.T. bis in über 300 m Tiefe.

Die 1973 durch Ankauf erworbene Mineralien-Sammlung des Chemikers Dr. R.,.E:.VoyLLiEME ist die größte geologische Kollektion eines Privatsammlers, die das MNVD aufbewahrt.

Im Januar 2000 stiftete C-L . HAHMANN dem MNVD seine reichhaltige und kostbare Mineralien-Sammlung.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt in der Dokumentation und Erfassung der Fauna und Flora des Bitterfelder Bernsteins aus dem im Juni 1999 gefluteten ehemaligen Tagebau Goitzsche bei Bitterfeld.

50 Lackprofile dokumentieren geologische Schichten, die heute durch Flutung oder Abbau nicht mehr  aufgeschlossen sind, wie z. B. der tertiären Bitterfelder Glimmersande des Tagebaus Goitzsche und des quartären Kieselgurs von Klieken, und in der Fundsicherung und Konservierung zutage tretender Fossilien.

Literatur zu der geologischen Sammlung

• GÖRGNER, E. und HESSE, A. (2004): Museum für Naturkunde und Vorgeschichte Dessau. - ln: JANSEN , U., KÖNIGSHOF, P. & STEININGER, F.F, (2004): Zeugen der Erdgeschichte - Senckenberg-Buch; Schweizerbart´sche Verlagnsbuchhandlung, Stuttgart.
• HEISE, U. (1978): Das Museum für Naturkunde und Vorgeschichte Dessau. - Naturwiss. Beiträge Museum Dessau, 1: 13-28. Museum für Naturkunde und Vorgeschichte Dessau.
• HESSE, A. (2002): Geologische Sammlung. - In: GÖRGNER, E. et al. (Hrsg. 2002): Kulturerbe Natur. - Mitteldeutscher Verlag, Halle.
• HESSE,. A. und MÜLLER, L. (im Druck): Die Elbeschildkröte von Steutz aus der geologischen Sammlung des MNVD. - Naturwiss. Beiträge des Museums Dessau.
• HESSE. A,.UND.MÜLLER, L. (im Druck): Eine Vogelspinne in Bitterfelder Bernstein aus der geologischen Sammlung des MNVD. - Naturwiss. Beiträge des Museums Dessau.
• JANSEN, U. und STEININGER, F.F. (Hrsg. 2002): Die paläontologischen Sammlungen in  Deutschland - Kleine Senckenberg-Reihe 42, Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart.
• KOBERT, K. (1929; Hrsg.): Berichte des Naturwiss. Vereins in Dessau. 1. Heft: Über die Jahre 1924 - 1928. Museum für Naturkunde und Vorgeschichte Dessau.
• KOBERT, K. (1930; Hrsg.): Berichte des Naturwiss. Vereins in Dessau. 2. Heft: Zum vierzigjährigen Bestehen des Vereins. Gleichzeitig Tätigkeitsbericht über das Jahr 1929. Museum für Naturkunde und Vorgeschichte Dessau.
• KOBERT, K, (1933; Hrsg.): Berichte des Naturwiss. Vereins in Dessau. 3. Heft: Über die Jahre 1930 - 1932. Museum für Naturkunde und Vorgeschichte Dessau.
• KARL, H,-V., GRÖNING, E. & BRAUCKMANN, C. (2006) New carettochelyne turtle occurence from the Oligocene in Germany and its palaeozoogeographic importance - Clausthaler Geowissenschaften 5:51 - 57, 5 Abb., 1 Tafel. 
• MÜLLER, L. (1992): Die holsteinwarmzeitliche Kieselgur von Klieken, Landkreis Roßlau - 1. Beitrag. - Stratum 1, Museum für Naturkunde und Vorgeschichte Dessau: 4-7, 4 Abb.
• RABEDER, G. (1999): Der Höhlenbär. - Species, Thorbecke Verlag.
• WUNDERLICH, B, (1983): Die Anfänge der Dessauer naturwiss. Sammlungen bis zur Gründung des Museums für Naturkunde und Vorgeschichte Dessau. - Fachschule für Museologie Leipzig, unveröff. Belegarbeit.
• WUNDERLICH, B, (1986): Die natur- und kulturhistorischen Sammlungen in Anhalt-Dessau und Anhalt-Köthen von den Anfängen bis 1932. - Fachschule für Museologie Leipzig, unveröff. Abschschulabschlußarbeit.