Les sites paléontologiques qui conservent des restes fossilisés sont en très grande majorité compris entre 3 millions d’années et 12 000 ans. Leur existence est très liée aux phénomènes volcaniques, et à ce titre, la Haute-Loire est un territoire très riche en fossiles. La plupart des sites ont été découverts au 19e siècle. Celui de Chilhac est déjà signalé à la fin du 19e siècle par le vicomte de Morteuil, alors maire de la commune. Dans les années 1960, Christian Guth prospecte la région et commence les fouilles en 1968 et 1969. Le musée de paléontologie ouvre ses portes en 1989, sous l’impulsion d’Odile Bœuf, qui continue les fouilles jusqu’en 1998.
Les collectionsLe musée de paléontologie présentent des squelettes fossilisés d’une faune étonnante, découverte à Chilhac lors des campagnes de fouilles : tigre à canines supérieures en lame de sabre, mastodonte, éléphant, mammouth, rhinocéros, cerfs et gazelles, hyène, ours, castor et porc-épic, oies et canards... Ces restes fossiles ont été exhumés de couches sédimentées datées de près de 2 millions d’années. Ils attestent qu’en ces temps un climat tropical régnait sur la région.
Mammouths et MastodontesC’est à Chilhac qu’une des dernières populations de mastodontes d’Auvergne a été mise au jour. Ces découvertes permettent de comprendre l’organisation sociale de cette espèce. En effet, les femelles et les jeunes vivent dans une société matriarcale, comme les éléphants. Ils cohabitent avec les mammouths méridionaux. Ceux-ci sont des mâles très âgés, plus faibles et moins puissants, qui vivent près des points d’eau. Cette faune, extrêmement riche, est l’une des clés de compréhension de cette période transitoire qui voit arriver peu à peu les premiers hommes en Europe, il y a près de 2 millions d’années.