A última parte da visita é constituída pela exposição de paleontologia. O Museu da Lourinhã possui a maior exposição ibérica de fósseis de dinosaurs do Jurássico Superior, sendo a sua colecção uma das mais importantes a nível mundial.
Entre estes fósseis encontram-se vários achados de dinossauros carnívoros, tal como oLourinhanosaurus antunesi; dos gigantescos herbívoros, de que é exemplo o Dinheirosaurus lourinhanensis; e também de ninhos com ovos fósseis atribuídos a Lourinhanosaurus, contendo dos mais antigos embriões de dinossauro de todo mundo, constituindo-se um deles no segundo maior ninho conhecido, com mais de 100 ovos.
Também é possível observar fósseis de diferentes invertebrados, peixes, crocodilos, pterossauros, tartarugas e mamíferos de diversas idades geológicas.
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