北京自然博物馆分为六个展区：
一、植物世界厅；二、恐龙公园厅；三、古哺乳动物厅；四、古爬行生物厅；五、古脊椎动物厅；六、神奇的非洲。
北京自然博物馆是一座大型自然历史博物馆，主要从事古生物、动物、植物和人类学等领域的标本收藏、科学研究和科学普及工作。
一、植物世界厅
北京自然博物馆《植物世界》大型植物专题展览于2007年7月向公众推出。展览面积800余平方米，内容涵盖陆地植物演化、植物功能和现代植物景观三大主题，从史前灭绝的植物类群到今天多姿多彩的植物，从植物的微观结构到植物群落和生态系统宏观景观，全方位多角度展示植物的魅力。
二、恐龙公园厅
《恐龙公园》展厅，2013年重新启用，共有面积700余平方米。23条活灵活现的恐龙、两只翼龙以及一只和最早恐龙生活在一起的坚喙蜥构成了不同的组合，分别代表了从三叠纪晚期到白垩纪晚期不同时期的恐龙世界的面貌。
在《恐龙公园》中，北京自然博物馆还增加了恐龙发掘现场。观众可以看到恐龙化石挖掘时候的场面，看到恐龙化石还在岩石中的状况；另外，新《恐龙公园》中还有“热河生物群”和“恐龙时代海洋”两个幻象，展示恐龙世界中的海洋里面的庞然大物。
三、古哺乳动物厅
古哺乳动物厅共有面积700余平方米。展厅馆分别详细介绍了长鼻类、奇蹄类、偶蹄类、食肉类、灵长类和被子植物的演化历程以及著名的山旺生物群。
哺乳动物是由拟哺乳动物演化而来的。由于其特有的恒温优势以及中生代湿暖潮湿的气候条件，哺乳动物得以复苏和大发展。
四、古爬行生物厅
古爬行动物厅向观众展示了生物界两亿多年前的景观，并以总鳍鱼、鱼石螈、蚓螈和异齿龙为代表，演示了脊椎动物从水域向陆地发展的复杂过程。
大厅中央展示了栩栩如生的恐龙骨架群，如中国人发现的第一条恐龙——许氏禄丰龙，体长达26米的井研马门溪龙，称王称霸的霸王龙，小巧玲珑的恐爪龙，背上布满剑板的沱江龙，威风凛凛的永川龙，展翅翱翔的翼龙，称霸海洋的鱼龙。
五、古脊椎动物厅
古无脊椎动物厅有面积八百平方米。包括原生动物、海绵动物、腔肠动物、腕足动物、软体动物、节肢动物、棘皮动物等门类。硕大的鸮头贝矗立在展厅门口，象征着无脊椎动物的繁盛历史。
六、神奇的非洲
《神奇的非洲》展览以世界轮椅基金会创始人、主席、中国残疾人福利基金会理事，美国肯尼斯·贝林先生捐赠的非洲珍贵动物标本为基础，还原了野生动物赖以生存的生境，并结合中英文图板和各种新奇的现代化展示技术手段，准确、科学地将非洲大陆最具代表性的野生动物栩栩如生地再现于观众面前，充分地展现了非洲大陆的神奇。
