Размещается в здании геологического факультета. Общая площадь музея 1100 кв.м. В коллекционном фонде образцы из 65 стран мира и более 150 тысяч единиц хранения.

В составе геологического музея: 7 отделов (динамической геологии, минералогии, палеонтологии и истории геологии, геологии нефти, полезных ископаемых, персоналий, монографических коллекций), шлифовальная лаборатория, отделение в музее-заповеднике «Казанский кремль».

Ведёт историю с 1804 года, когда были созданы кабинет натуральной, или естественной, истории и минералогический кабинет. В 1935 году произошло объединение кабинетов в единый геолого-минералогический музей. С 2003 года современное название.

Начало коллекции положили поступившее в Казань в 1789 году собрание минералов князя Г.А. Потёмкина-Таврического и разрозненные палеонтологические находки из числа «натуральных вещей» Казанской первой мужской гимназии. В дальнейшем коллекция музея пополнялась за счёт даров, покупок за рубежом и в России, материалов экспедиций учёных и студентов Казанского университета, пожертвований уральских заводов и подведомственных университету сибирских учебных заведений. В создании и развитии музея участвовали С.Я. Румовский, И.Ф. Яковкин, К.Ф. Фукс, И.М. Симонов, Э.И. Эйхвальд, А.Я. Купфер, Ф.Ф. Розен, Н.И. Лобачевский, М.Н. Мусин-Пушкин, Н.А. Головкинский, А.А. Штукенберг, А.В. Нечаев, А.В. Лаврский, Б.К. Поленов, П.И. Кротов, М.Э. Ноинский, Л.М. Миропольский, М.Г. Солодухо, Т.А. Тефанова, Н.Л. Фомичёва и др.

В XIX – начале XX веков приобретались минералогические и палеонтологические коллекции у известных фирм Р. Дамона в Англии, Кранца и Верта в Германии, Нобеля и Вендлера в Швейцарии и др.

Наличие в фондах геологического музея не только отечественных, но и зарубежных ценных коллекций отличало его от других региональных естественно-научных музеев. Фонд музея включает зарубежные и отечественные систематические собрания минералов, рудные и нерудные полезные ископаемые, магматические, метаморфические и осадочные горные породы, метеориты и т.д. Среди минералов музея немало раритетов: уникальный по размерам (260х280 мм, масса 21,0162 кг) октаэдрический кристалл чёрной шпинели (плеонаст) с Урала, додекаэдрический кристалл анальцима (200х160 мм) из базальтов Якутии, шлифованные агаты из Бразилии, Германии, России и др.

В геологическом музее одна из лучших в РФ коллекция метеоритов, особую ценность представляет метеорит Каинсаз. В 1996–1998 годах геологический музей провёл ряд обменов метеоритными коллекциями с музеями США (Нью-Йорк) и Чехии (Прага). В числе новых поступлений редкие по красоте метеориты Esquel и Zagami, представляющие, по мнению американских учёных, частички марсианского вещества.

В палеонтологических коллекциях представлены все типы древних животных, за исключением протерозойских. Собраны уникальные палеонтологические монографические коллекции, относящиеся к золотому фонду мировой геологической науки и во многих странах мира подлежащие вечному хранению. В музее хранятся новые группы ископаемой фауны и флоры: коллекции пермских фораминифер (В.А. Чердынцев, Н.А. Валеева, В.М. Игонин); брахиопод девона, карбона, перми (Б.В. Селивановский, В.П. Прокофьев и др.); уникальная коллекция конодонтов девона, карбона, перми Русской платформы, Казахстана и Китая (В.Г. Халымбаджа); двустворчатые моллюски перми, неогена (А.В. Миртова, А.К. Гусев, В.В. Силантьев); рыбы перми (Г.Н. Фредерикс, Б.П. Кротов, М.Г. Солодухо, В.В. Силантьев и др.); остатки растений перми, палеогена и неогена (А.В. Миртова, Е.И. Тихвинская, Т.А. Тефанова, А.В. Богов, Н.Л. Фомичёва, Н.К. Есаулова).

В музее находятся редкие по научной значимости, сохранности, комплексности и численности плейстоценовые палеозоологической коллекции, в составе которых полный скелет мамонта, найденный в конце XIX века у села Козлово Пермской губернии.

Во 2-й половине XX века музей расширил тематику фондов и географию поступлений. В дальнейшем расширении фондов музея возросла роль выпускников геологического факультета Казанского университета (А.А. Замараев – минералы Якутии; Г.А. Мирлин – железомарганцевые конкреции со дна Тихого океана и др.).

Материалы коллекции музея позволили впервые в мире разработать методологию изучения изоморфизма минералов методами радио- и оптической спектроскопии, что привело к становлению казанской научной школы по физике минералов (В.М. Винокуров, И.Н. Пеньков, А.И. Бахтин, Г.Р. Булка, Н.М. Низамутдинов и др.).

Монографические палеонтологические коллекции и уникальные индивиды ископаемой фауны музея неоднократно использовались в работе международных геологических конгрессов, совещаний.

Геологический музей имеет международной статус, занесён в международные и отечественные каталоги и справочники; входит в состав Международного совета музеев, учёного совета Российского геологического общества. Проводит научно-просветительскую работу среди населения, собирает и представляет в экспозициях материалы по истории геологической науки и образования в Казанском университете и истории горного дела на территории РТ. Оказывает научно-методическую помощь высшим и средним учебным заведениям и краеведческим музеям РТ, Республики Марий Эл, Удмуртии, Чувашии, Ульяновской и Кировской областей.