მუზეუმის ძირითადი მატერიალური ბაზის შექმნა იწყება 1953 წლიდან, როდესაც პოლიტექნიკური ინსტიტუტის ახალ შენობაში მას გამოეყო სათანადო ფართობი.
მუზეუმი, რომლის ჩამოყალიბებაში დიდი წვლილი მიუძღვის პროფ. გ. ხარატიშვილს (1905-1981), დამსახურებულად ატარებს მის სახელს. იგი შეიქმნა განამარხებული ორგანიზმების, მინერალების, ქანების კოლექციების და სხვა მასალის დაგროვების, შესწავლის და სისტემატიზაციის შედეგად. მასალის შეგროვება ხდებოდა, ძირითადად, კათედრის თანამშრომლების საველე სამუშაოების და სასწავლო-გეოლოგიური პრაქტიკების ჩატარების დროს. კათედრა გეოლოგიურ პრაქტიკებს ატარებდა არა მარტო საქართველოს ტერიტორიაზე, არამედ ყოფილი საბჭოთა კავშირის გეოლოგიურად საინტერესო სხვადასხვა რეგიონში (სომხეთი, აზერბაიჯანი, ცენტრალური აზია, ურალი, ციმბირი, ბალტიისპირეთი, რუსეთის ვაკე, უკრაინა, ყირიმი, ჩრდილოეთ კავკასია და სხვ.).
მუზეუმი ფართოვდებოდა მასალის დაგროვებასთან ერთად, რომელიც სათანადოდ მოწმდებოდა, მუშავდებოდა, თანდათან იხვეწებოდა და მდიდრდებოდა. ამგვარად შეიქმნა უნიკალური სასწავლო მუზეუმი, სადაც გამოფენილი ძირითადი თემატური მასალა ასახავს დედამიწის აგებულებისა და განვითარების ისტორიას. მუზეუმს გააჩნია მდიდარი ფონდები, რომელსაც დიდი სამეცნიერო და სასწავლო მნიშვნელობა აქვს. მის საცავებში ინახება ათასობით ქანის, ნამარხის და მინერალის ნიმუში. მუზეუმში გამოფენილია აგრეთვე გეოლოგიური ჭრილების ამსახველი მასალა, პანოები, მაკეტები, ნამარხი ორგანიზმების მულიაჟები, სურათები, გამოჩენილ მეცნიერთა პორტრეტები, ძველი ლანდშაფტების სქემები, რუკები, განმარტებითი ტექსტები, რომლებიც სტუდენტებს მასალის ათვისებაში ეხმარება.
მუზეუმის შესასვლელთან, კედელზე კიდია მამონტის ეშვის მაკეტი, რომელიც კათედრის ყოფილი თანამშრომლის პ. პეტროვის მიერაა შესრულებული (მის მიერვე არის შესრულებული მუზეუმში არსებული მაკეტებისა და სურათების უმრავლესობა). მუზეუმის ექსპონატები, თემატიკის შესაბამისად, სამ ვრცელ დარბაზშია განთავსებული.
პირველი დარბაზი დინამიკური გეოლოგიის განყოფილებას უჭირავს.
აქ გამოფენილი მასალა ასახავს დედამიწის აგებულებას და გეოლოგიურ პროცესებს, რომლებიც ქმნიან დედამიწის ქერქის თანამედროვე სახეს, რაც ქანების და მინერალების სათანადო კოლექციებით არის წარმოდგენილი.
ამავე დარბაზში გამოფენილია ვულკან ვეზუვის მოქმედების ფერადი მაკეტი, საქართველოს გეოლოგიური რუკა. კედლებზე კიდია ფერადი სურათები და პლაკატები, რომლებზედაც გამოსახულია ქარის მოქმედებით და გამოფიტვის შედეგად წარმოქმნილი რელიეფის ფორმები, მიწიქვეშა წყლების, ზღვების, მდინარეების, მყინვარების გეოლოგიური მოქმედება, გეიზერები იელოუსტონის ნაციონალური პარკიდან (ჩრდილო ამერიკა) და სხვ.
მეორე დარბაზი ეთმობა პალეონტოლოგიისა და ისტორიული გეოლოგიის განყოფილებას.
აქ წარმოდგენილია მდიდარი პალეონტოლოგიური და გეოლოგიური ექსპონატები (თანამედროვე და ნამარხი ორგანიზმების კოლექციები, მაკეტები, წარსული გეოლოგიური ეპოქების რეკონსტრუქციები, ქანების ნიმუშები და სხვ.), რომლებიც თვალნათლივ ასახავენ დედამიწის ქერქის და სიცოცხლის განვითარების ისტორიას. მნახველი რწმუნდება, თუ როგორი გრანდიოზული გეოლოგიური პროცესები მოქმედებდა და მოქმედებს ჩვენ პლანეტაზე და რა დიდი დრო გასულა დედამიწისა და პირველი მარტივი ორგანიზმების წარმოშობის შემდეგ, რომ ბუნებაში ყველაფერი ჩნდება, ვითარდება და იცვლება კანონზომიერად. განვითარების პროცესში პრიმიტიული ორგანიზმებიდან რთული და მრავალფეროვანი არსებები ვითარდებიან; ყველაფერი მოძრაობაშია, ვითარდება, კვდება და ადგილს უთმობა ახალს.
დარბაზის ცენტრალურ ნაწილში კარადების ორი მწკრივია (პალეონტოლოგიური ნაწილი), სადაც გამოფენილია სისტემატიკის მიხედვით დალაგებული უხერხემლოთა ნიმუშები (უმარტივესნი, ღრუბლები, ნაწლავღრუიანები, მხართფეხიანები, კანეკლიანები, მოლუსკები და სხვა), კედლებთან კი ქრონოლოგიური თანამიმდევრობით განლაგებულია დედამიწის გეოლოგიური განვითარების ამსახველი მასალა.
დარბაზის შესასვლელში, მარჯვენა მხარეს, კედელთან გამოფენილია თანამედროვე ფაუნის კოლექცია. აქ წარმოდგენილი საკმაოდ მდიდარი და საინტერესო მასალა ჩამოტანილია ჩვენი პლანეტის სხვადასხვა ადგილიდან როგორც კათედრის წევრების, ასევე ყოფილი სტუდენტების მიერ.
მესამე დარბაზში ხეხემლიანთა განყოფილება არის მოთავსებული.
ხერხემლიანების განამარხებული ნაშთები მოიპოვება ზღვიურ და კონტინენტურ ნალექებში, თუმცა გაცილებით იშვიათად, ვიდრე უხერხემლოთა ნაშთები. ზღვიურ ნალექებში, ჩვეულებრივ, გვხვდება ხერხემლიანთა ჩონჩხის მხოლოდ ფრაგმენტები. კონტინენტურ წარმონაქმნებში ცნობილია დიდი რაოდენობის ნამარხი ხერხემლიანების ადგილსაპოვრები (ჩრდილოეთი დვინა, ყაზახეთი, მონღოლეთი, ჩრდილო ამერიკა, საფრანგეთი). ეს მასალა მსოფლიოს ცნობილ მუზეუმებში ინახება.
დარბაზში გამოფენილი მასალა ძირითადად მოდელებით, პანოებით, სურათებით, ასლებით და მაკეტებით არის წარმოდგენილი. აქ შეიძლება გავეცნოთ მარტორქების ერთ-ერთ უძველეს წარმომადგენელს ინდრიკოთერიუმს, იურულ მფრინავ ქვეწარმავალს რამფორინხუსს, მამონტის და ვეშაპის კბილებს, ცარცული ასაკის მტაცებელ დინოზავრს ტირანოზავრს, თანამედროვე ფრინველების გვიანიურულ წინაპარს არქეოპტერიქსს, მონღოლეთში აღმოჩენილ ტარბოზაურუსს, დიატომიტებს ქისათიბიდან, რომლებზეც კარგად არის დაცული თევზებისა და ბაყაყების ჩონჩხების აღნაბეჭდები, პლიოცენურ გიგანტურ ირემს, დიპლოდოკებს, ხმალკბილიანებს, მაჯაფარფლიანებს, გვარ ლატიმერიას და სხვა საინტერესო მასალას.
საყურადღებოა გამოფენილი მასალა, რომელიც ადამიანის წარმოშობის საკითხებს ეხება (ორი პანო: ქვის ხანის ადამიანების ცხოვრების ნირი, კრომანიონელები, ბიჭუნა-ნეანდერტალელი, კარადაში - არქეოლოგიური მასალა, უდაბნოპითეკი, აუსტრალოპითეკი და სხვ.). დიდ შუშის ვიტრინაშია შიმპანზეს, პითეკანთროპის, სინანთროპის, ჰაიდელბერგელი ადამიანის თავის ქალა, ქვედა ყბა. კედელზე ჰკიდია დიდი ფერადი სურათები (პერმული ლანდშაფტი პარეიაზავრით და ინოსტრანცევიათი, ცარცული ასაკის ზაუროლოფუსით და სხვ.), აგრეთვე კარბონული მწერის მოდელი.
მუზეუმში დაცულია მონოგრაფიული პალეონტოლოგიური მასალაც.
სამთო-გეოლოგიური ფაკულტეტის ბაკალავრების, მაგისტრანტების და დოქტორანტების გარდა, მუზეუმი დიდ დახმარებას უწევს ყველას, ვინც დაინტერესებულია როგორც გეოლოგიით, ასევე სიცოცხლის წარმოშობისა და განვითარების საკითხებით. ამის დასტურია მრავალრიცხოვანი ჩანაწერი მუზეუმის ჟურნალში.