Petrologická zbierka zhromažďuje predovšetkým vzorky hornín z Piešťan a širšieho okolia. Mapuje geologickú stavbu Považského Inovca a Malých Karpát. Geologická stavba Považského Inovca je veľmi zložitá, jedná sa o jadrové pohorie patriace Fatransko – tatranskej oblasti. Vďaka tejto zložitej stavbe je aj zastúpenie jednotlivých typov hornín veľmi pestré. Zbierka obsahuje rôzne typy vyvrelých, premenených aj usadených hornín. Najstaršie horniny vystupujú v oblasti vrchu Prieľačina, sú to slabo premenené horniny devónskeho veku. Súčasťou fondu geológie je aj historická zbierka sedimentárnych hornín, ktorá vznikla v období založenia múzea a súvisela so zameraním múzea na oblasť balneológie. Neskôr bola rozšírená v 60-tych až 70-tych rokoch o vzorky usadených hornín zozbieraných pracovníkmi Štátnych liečebných kúpeľov v Piešťanoch.
