自然展馆通过37亿年的标本，与历史对话、与自然和科学对话，以“地球演化”“生物进化”“生态文明”为三大主线，展现自然发展史，讲述人与自然的故事。设有地质万象、古生物长廊、昆虫王国、神奇秦岭、史前探秘、煤海之光和生命之光七个常设展厅，陈列有岩石鼻祖紫苏斜长麻粒岩等矿物标本；有鱼龙、翼龙、马门溪龙、似银杏、新芦木等珍贵的化石；有秦岭大熊猫、金丝猴、羚牛、朱鹮、珙桐、独叶草等珍稀动植物标本，呈现出一幅绚丽多姿的地球生命物种演化图。