Si Millares és conegut en el món de la paleontologia, és gràcies a la labor impagable de l’arqueòleg i paleontòleg José Martínez Royo, que va deixar els seus fons perquè s’exposaren a la localitat. La visita al jaciment de petjades de dinosaures del Tambuc i a les pintures rupestres té en la col·lecció museogràfica que porta el seu nom, per tant, un complement didàctic i divulgatiu de gran interés per al visitant.
Disposa el Museu d’una sala paleontològica que explica les característiques i la importància de les més de 400 icnites de la rambla del Tambuc, situada a 16 quilòmetres al sud de Millares, en la qual es troba una superfície de 6.000 metres quadrats on es documenten aquestes petjades fossilitzades de dinosaures teròpodes i ornitòpodes del cretaci superior, és a dir, de fa uns 85 milions d’anys. Les vitrines temàtiques exhibeixen mostres de fòssils d’invertebrats marins, com són els equinoderms, els ammonits, els bivalves i els gasteròpodes (eriçons marins, ostres, clòtxines, caragols i altres mol·luscos…), així com dents de tauró i espines de peixos fossilitzades que pertanyen a diferents períodes de la història geològica de la Terra.
Hi ha a més una sala arqueològica reservada per a facilitar la interpretació de les pintures rupestres de Millares, especialment les dels abrics de Vicent, Roser i Chorradores, i dels grups humans que les van fer possibles. Es distingeix, a aquest efecte, l’art llevantí de l’art esquemàtic antic i ple, tots corresponents al període prehistòric del neolític, quan la zona era freqüentada pels últims caçadors recol·lectors nòmades i arquers. S’exhibeix en una vitrina una plaqueta gravada que es va trobar a la cova de la Tosca.