展览馆分设两个展厅，共展出动物和植物两大生物界五十多个生物门类化石标本1万多件。其中无脊椎动物化石主要有三叶虫、笔石、头足类、珊瑚、腕足类、腹足类、双壳类、叶肢介、苔幼虫、层孔虫、有孔虫、放射虫、介形虫、牙形刺等；脊椎动物化石主要有恐龙、恐龙蛋、鸟类、鱼类、野猪、犀牛等；植物化石除了原始的藻类植物之外，还有粗大的乔木和其它植物化石。这些化石，年龄最老的有八亿多年，最年轻的也有几十万年。
第一展厅的标本以不同地区、不同生物门类和不同研究领域分专题排列，展出的精美化石有三十多个生物化石门类的标本，有来自"世界屋脊"的珊瑚、腕足类、双壳类、腹足类、头足类，有被称为"二十世纪最惊人发现之一"的澄江生物化石群的标本，有来自南极的化石和岩石标本。通过这些化石标本的观察，对认识青藏高原由大洋到"世界屋脊"的演变，加深寒武纪生命大爆发的理解以及板块活动等都有很大帮助。
第二展厅的标本按生物出现的先后顺序排列，展出震旦纪（距今8亿多年）至第四纪各地质时代中的主要生物门类化石约五千多件，这些化石种类繁多，形态各异。化石中有原始的单细胞生物，也有高等生物化石，有身体巨大的恐龙，也有微米、毫米大小的介形虫、有孔虫等微体化石标本。该展厅科普性强，充分展示了地球早期生命从低等到高等的演化过程。
展览馆中还保存有中华鸟龙（带毛的恐龙）、翼龙和孔子鸟等世界上极为罕见的化石珍品。这些化石标本除有重要的科学意义外，也具有较强的观赏性。