Espectacular edificio en un enclave único. Su interior es un recorrido por los últimos 550 millones de años de la historia de la tierra. El núcleo de la colección está constituido por los fondos procedentes de las intervenciones paleontológicas en los yacimientos conquenses de Las Hoyas (cretácico inferior) y Lo Hueco (cretácico superior), aunque también forman parte de esta colección el resto de los depósitos paleontológicos regionales, con una especial representación de los registros paleozoicos de Toledo y Ciudad Real, mesozoicos de Guadalajara y Cuenca y cenozoicos de toda la región.

El más notable monumento conquense se empezó a construir a finales del siglo XII tras la conquista de la ciudad, pero su núcleo fundamental tomó forma en el s.XIII. Las naves que van desde el crucero hasta la fachada datan del s.XIV y la girola se transformó en el XVI para adaptar su estructura original a las nuevas concepciones estéticas. De esta época fue también su primera fachada, sustituida en el siglo XVIII por otra que fue preciso derruir a comienzos del XX, siglo en el que se construyó la fachada actual de estilo neogótico obra de Vicente Lampérez.