古秩父湾堆積層及び海棲哺乳類化石群は，東西・南北とも約１５ｋｍの埼玉県秩父地域の秩父盆地に広がる新生代(しんせいだい)中新世(ちゅうしんせい)（約１，７００万年～１，５００万年前）の海成層とパレオパラドキシア及び鯨類化石の標本である。現在の日本列島の原型は，新生代中新世の約２，０００万年前から１，５００万年前にかけて形成された。この時代，秩父盆地は東に開いた古秩父湾を形成しており，秩父盆地に分布する約２００万年分の地層には地殻変動による湾の形成から終焉までが記録されている。
また，古秩父湾には海棲哺乳類をはじめ多様な生物群集が生息していたことが化石から確認されており，その代表が約１，２００万年前まで環太平洋地域の海浜で生息していたパレオパラドキシアや鯨類など大型海棲哺乳類である。秩父盆地は日本有数のパレオパラドキシア化石産出地で，日本産出標本の５分の１が報告されている。これらの地層と化石群は，日本列島形成当時の日本近海で起こった地殻変動や生物群集及び古環境の変遷を示すもので，地層の露出状況及び化石標本の産出状態が良好であり，学術上貴重である。