自然展館透過37億年的標本與歷史對話、與自然和科學對話，以地球演化生物進化生態文明爲三大主線，展現自然發展史，講述人與自然的故事。設有地質萬象、古生物長廊、昆蟲王國、神奇秦嶺、珍惜世界動物、煤海之光和生命之光七個常設展廳，主要展示陳列了5000餘件標本模型，有岩石鼻祖紫蘇斜長麻粒巖等礦物標本，有魚龍、翼龍、馬門溪龍、似銀杏、新蘆木等珍貴的遠古化石，有秦嶺大熊貓、金絲猴、羚牛、朱䴉、珙桐 、獨葉草等珍稀動植物標本，呈現出一幅絢麗多姿的地球生命物種演化圖。
肯尼斯貝林展館珍藏着國際慈善家肯尼斯尤金貝林先生捐贈的世界各大洲珍稀野生動物標本，展館以星球自然共生爲主題，以與動物同行爲展示主線，以世界野生動物標本爲基礎，輔以沉浸式展示方法，分爲多彩亞歐、野性非洲、雄渾美洲、奇異北極、神祕澳洲、生存法則、江海律動、穹幕影院、勇敢者通道、互動體驗等10個展示體驗區，共展出七百餘件世界珍稀野生動物標本。
