展览共分三个部分：
第一部分着重介绍与恐龙相关的基础知识、如生物进化、化石、地质年代、恐龙的演化与分类等等。
第二部分主要介绍大山铺的各类恐龙化石。它们陈列在高大宽敞的装架厅里，这里有几副完整的恐龙化石骨架，其中“天府峨嵋龙”是该厅最引人注目的庞然大物。它的头被细长的颈支的老高，离地面约10米，全身长约20米，躯体粗大，尾巴很长，四脚着地，昂首挺立。大厅里除了“天府峨嵋龙”之外，还是一具凶猛的能食“天府峨嵋龙”的“建设气龙”的骨架，但它全身长仅四五米。其他还有进步性与原始性相兼地蜥脚类恐龙-李氏蜀龙，身躯细小，两足行走的鸟脚类恐龙-多齿盐都龙，早期的比较原始的剑龙-太白华阳龙，空中飞翔的龙和遨游水中的凶猛肉食性蛇颈龙等等。
第三部分是恐龙埋葬遗址。这里向人们展现了大面积的发掘现场。
自贡博物馆在世界上与美国国立恐龙公园、加拿大恐龙公园齐名，合称为世界三大恐龙博物馆。自贡恐龙博物馆与四川省自贡市大山铺。
四川自贡不仅著名的盐都，而且还是我国重要的恐龙化石产地。这一带侏罗纪（1.35亿年-2.1亿年前）的陆相地层相当发育，恐龙化石就埋藏在侏罗纪早、中期陆地层中，而此期的恐龙化石正是世界恐龙研究中的薄弱环节，所以自贡的恐龙化石为世界研究恐龙的演化，提供了丰富的关键性的原始资料。 据地质考察，侏罗纪时期，自贡这一带是开阔的滨湖地带，气候炎热，水草丰茂，大树参天，是恐龙理想的生活场所，而大山铺又是风平浪静的砂质浅滩，在此死亡的以及被河水从远处搬运来的恐龙尸骸，都被浅滩上的泥沙掩埋起来。尸骸地堆积与泥沙的掩埋交替进行了很长时期，以后再经过一两亿年漫长岁月的积压，终于形成了今天所见的含化石的砂岩层。