馆内常设地球脉动、远古海洋、恐龙帝国、哺乳新生、灭绝之殇五大展厅和两个大型临展厅。其中，该馆“镇馆之宝”——目前全世界唯一一件中华猛龙骨架化石，就陈列在该馆“恐龙帝国”展厅内。
地球脉动展厅
“地球脉动”展厅重点讲述了宇宙的起源、地球的形成、地球的内外动力地质作用等地球演化过程中的奇妙现象。
天地有大美，生生不息，走进“地球脉动”展厅，这里有光电太阳系动态景观，有喜马拉雅山脉上不同海拔的典型岩石标本，带您感受宇宙的浩瀚、地球的威严和岩石的变迁。
远古海洋展厅
“远古海洋”展厅重点讲述了“脊椎的现身”“颌的出现”“由水到陆”的演变等远古海洋中波澜壮阔的生命变革。
展厅利用多媒体和场景复原技术，重现了早期鱼类的演化和四足动物的登陆过程，展现了鱼类和两栖动物生命演化的雄伟历程。
恐龙帝国展厅
当恐龙在地球上亮相的时候，它仿佛就注定将要成为这世间的霸主，一步步站在了食物链的最顶端。称霸了地球1.6亿年的恐龙，即便早已灭绝，依然深受公众尤其是孩子们的喜爱。
“恐龙帝国”展厅以中生代为主要舞台，讲述了恐龙家族在三叠纪出现后，经历侏罗纪发展壮大，白垩纪高度分化，其中一支演化成为今日蓝天的主人——鸟类的发展历程。展台陈列的各类遗骸、遗迹化石，与精美的复原模型，共同呈现恐龙多样的生活场景。
哺乳新生展厅
白垩纪末期的生物大灭绝事件结束了中生代的恐龙纪元，哺乳动物从恐龙的阴影下走出，迅速开枝散叶。
“哺乳新生”展厅展示了躲过浩劫的哺乳动物在新生代辐射演化的过程，以及人类的崛起。展台内集中展示了哺乳动物各类群的化石代表，以及人族成员逐渐直立行走的过程，并配合以相应生境背景画、多媒体设备折叠更多知识，详细解读各主要类群的演化及生态习性。
灭绝之殇展厅
“灭绝之殇”展厅通过展现六十多种已灭绝生物的形象、阐述生物入侵对我国本土生物物种多样性带来的严重威胁，揭示人类对大自然和生态系统的伤害，启示我们保护生物多样性任重而道远。
中国古动物馆（保定自然博物馆）的展品主要来自中国科学院古脊椎动物与古人类研究所，目前馆里陈列的展品总计约6000件左右。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所将陆续分批次把在北京的珍贵化石标本疏解到中国古动物馆（保定自然博物馆）。
目前展出的展品中不乏珍品，包括世界唯一的中华猛龙骨架标本；世界上脖子最长的恐龙——中加马门溪龙；已知时代最早的头尾完整保存的有颌鱼类——奇迹秀山鱼；世界极少数三维保存的天山哈密翼龙蛋；中国最著名的蜥脚类恐龙——合川马门溪龙；世界上脸最长、个体最大的马——埃氏马头骨等化石标本。
登录/注册后可查看大图中华猛龙骨架标本。
登录/注册后可查看大图已知时代最早的有颌鱼类——奇迹秀山鱼。
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除了实物类展品，该馆还通过VR影像、投影多媒体设备讲解更多知识，详细解读各主要类群的演化及生态习性。带领游客逐步领略自然的奇妙，探访不同生境下栖息的生物又是如何演化而来。
通过古生物化石、现生动物、岩石、矿物等自然资源，生动展示了地球的形成、生命的起源与演化历程。每一个展品都仿佛在诉说着一段古老的故事，引领着观众穿越时空，亲身体验生命演化的壮丽画卷。
除了内部展陈，该馆的建筑设计也是一大亮点。
中国古动物馆（保定自然博物馆）由普利兹克奖得主王澍主创设计，以“层城叠构、绿野无尽”为主体设计理念，设计布局厚重典雅、简洁明快，具有鲜明的地域特色和独特的艺术气质，历史的厚重感以及粗犷沧桑的自然美，使“古动物”主题与现代建筑理念完美融合，让公众更好体会生命演化的宏伟历程。
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中国古动物馆（保定自然博物馆）外景
登录/注册后可查看大图简约的几何线条构造了这座博物馆，呈现出独特的视觉效果
