ภายในอาคารของพิพิธภัณฑ์ธรรมชาติวิทยาแบ่งออกเป็นส่วนจัดแสดงถาวร 4 ส่วนหลัก ได้แก่

ส่วนที่ 1 การกำเนิดโลก
เป็นเส้นทางการเดินที่ให้ความรู้ด้านการกำเนิดโลก และดาวเคราะห์ต่าง ๆ ในสุริยจักรวาล จนถึงการกำเนิดขึ้นของสิ่งมีชีวิต ซึ่งเริ่มมาจากการระเบิดครั้งใหญ่ในจักรวาล

ส่วนที่ 2 การกำเนิดสิ่งมีชีวิต
จัดแสดงคุณสมบัติพื้นฐาน 9 ประการที่ทำให้สิ่งมีชีวิตแตกต่างไปจากสิ่งไม่มีชีวิต สังคมสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ร่วมกันเป็นระบบนิเวศธรรมชาติที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเป็นชีวมณฑลนั่นเอง

ส่วนที่ 3 วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต
เป็นทางเดินที่ทำให้เราเห็นวิวัฒนาการของสัตว์โลกนับตั้งแต่ยุคไดโนเสาร์มาจนถึงสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจนถึงมนุษย์ ผ่านอุโมงค์แห่งกาลเวลาที่ประกอบไปด้วย 4 ส่วน แบ่งเป็นยุคต่างๆ

ส่วนที่ 4 ความหลากหลายทางชีวภาพ
ประกอบไปด้วยโซนย่อยๆอีก 5 โซนได้แก่ โซนแบคทีเรีย โซนสัตว์เซลล์เดียว โซนห็ดรา โซนพืช แลโซนสัตว์ แต่ละจุดจะให้ความรู้ของสิ่งมีชีวิตรูปแบบต่างๆเหล่านี้ จุดที่เป็นไฮไลต์คือโมเดลสัตว์ที่จัดแสดงเป็นแบบพาเหรดที่มีขนาดรูปทรง สี และลำตัวเหมือนจริง ตืนตาตื่นใจ

จัดแสดงตัวอย่างเขาสัตว์ ที่หายากทั้งจากในประเทศและต่างประเทศ  อาทิ เขาเนื้อสมัน ละมั่ง กวางป่า วัวแดง กระทิง ควายป่า และแอนติโลป ฯ ซึ่งได้รับการอุทิศจากทายาทของนายแพทย์บุญส่ง เลขะกุล นักธรรมชาติวิทยาที่มีชื่อเสียงที่สุดคนหนึ่งของไทย เพื่อให้ใช้ในการจัดแสดงและเป็นสมบัติของชาติสืบไป

ด้านนอกของพิพิธภัณฑ์ธรรมชาติวิทยาเป็น Prehistoric จัดแสดงรูปปั้นไดโนเสาร์และสัตว์ในยุคโบราณ รวมถึงรูปปั้นจำลองการอยู่ในถ้ำของมนุษย์หิน เหมาะสำหรับพ่อแม่ที่อยากพาเด็กๆมาดูไดโนเสาร์ขนาดกึ่งสมจริง