Второй зал («Геологическое строение  Вольского района) экспозиции посвящен исторической геологии местного края. Вольский район представляет собой дно древнего моря. Самые древние отложения Вольского района относятся к юрскому (213-144 млн. лет до н. э.) и раннемеловому (144- 97 млн. лет до н. э.) периодам. Они показаны в первой диораме второго зала. Здесь представлены обычные обитатели нижнемелового моря: головоногие моллюски – аммониты, раковины створчатых моллюсков, а также самые необычные находки – кости морских ящеров – ихтиозавров. В следующей диораме показан верхнемеловой период (97-65 млн. лет до н. э.). Все те же меловые моллюски – аммониты, только другой формы, длинные раковины бакулитов, морские ежи, скелетики мелких кальмарчиков – белемнитов — знаменитые «чертовы пальцы». Период  Палеогена (65-25 млн. лет до н. э.) представлен островной флорой и фауной. В витринах, посвященных этому периоду, показаны отпечатки листьев и окаменелая древесина таких растений, как пальма, кипарис, магнолия, олеандр. А также обитатели уходящих морей — раковины различных моллюсков (туррителлы, волюты, тудиклы, кардиты, циприны). Далее показаны периоды Неогена (25-1,8 млн. лет до н. э.)  и Антропогена (1,8 млн. лет до н. э. – настоящее время). В здешних приледниковых тундрах проживали крупные холодоустойчивые шерстистые звери — носороги, мамонты, а межледниковые многотравные степи  заселяли крупные копытные животные – исполинские олени и  быки-бизоны. В витринах  зала  можно увидеть кости этих животных. Живописные полотна, изображающие таких зверей, дополняют эти коллекции. Последняя витрина  зала рассказывает о полезных ископаемых Вольского района. Здесь представлены мел, опока, глина, мергель, пески.