博物馆设有“地质环境”“矿产资源”“龙行川渝”“恐龙探秘”“生命探源”“缤纷生命”6个常设展厅和2个临时展厅，以及学术报告厅、4D影院、环幕影院、研学中心等配套展教设施。

　　一楼有地质环境和矿产资源两个常设展厅，地质环境厅主要展示宇宙与地球的形成、四川盆地和成都平原的形成等内容。矿产资源厅内展示矿产、矿物、宝玉石等自然资源的种类和特征，展厅中，颜色和形状各异的矿石在灯光下闪烁着史前神秘的光泽。

　　二楼的龙行川渝厅有每位游客必前往观看的合川马门溪龙，它威猛地站立在厅内，长达24米，真化石含量达80%以上的它，是该馆的镇馆之宝之一。在龙行川渝厅、恐龙探秘厅内，游客还将看到几十具来自全球的恐龙化石，足以大饱眼福。

　　博物馆三楼是生命探源厅、缤纷生命厅。在生命探源厅，除了镇馆之宝——大竹重庆鱼外，也有如三叶虫的爬痕、鱼粪石、怀孕的鱼龙化石、精美的五尖张和兽等小展品。缤纷生命厅则可领略生命的丰富多彩，如亚洲象坎赞。

　　这个展馆里还有马来貘、红毛猩猩、美洲虎等全球性的珍稀动物。老馆曾经的明星娃娃鱼则变成了标本趴在新展厅的二层。

　　极其稀罕的“天外来客”——隆昌铁陨石也是三大“镇馆之宝”之一。

　　除了各种特色展品外，成都自然博物馆还上新了许多黑科技。

　　一楼主题展厅有着全国首创全3D浮雕模型融合魔屏技术的四川省地形沙盘，通过沙盘前的AR数字望远镜可以看到真实沙盘与虚拟现实叠加而成的成都平原数智模型。

　　此外，博物馆内还设有泥石流沙盘投影系统矿产世界流水屏互动系统、场景投影系统等数字化视觉呈现技术。

　　二楼还有一个18米长、8米高的巨幕影厅，站在影厅正中央感受宇宙的起源、生命的进化、太阳系的发展，仿佛置身于时间长河中漫游。