为了更好地向公众展示这些珍贵标本，北京自然博物馆的基本陈列以生物进化为主线，展示了生物多样性以及与环境的关系，构筑起一个地球上生命发生发展的全景图。古生物陈列厅向我们展示了生物的起源和早期的演化进程，透过化石的印痕，人们似乎又看到了已经灭绝的生物。这些生物的遗迹，似乎带领人们穿越时空，聆听来自遥远太古代的声音；而植物陈列厅又似一部绿色的史诗，叙述着植物亿万年的演变。由水生到植物登陆，即使是一朵花的盛开，即使是一粒种子的传播，都蕴藏了无数的奥秘，留给我们无数的疑问；动物陈列厅，则向我们讲述了这些“人类的朋友”身上的奥秘，这里将世界上最具代表性的野生动物及其生态环境还原再现，生动地向我们展示了动物之美，动物界的神奇；人类陈列厅，让我们一睹人类由来的壮阔历史。由猿到人，历经万年，才有今日的容颜。一个人的诞生，看似平淡无奇，却展示了大自然的鬼斧神工。
北京自然博物馆，向来不是一个枯燥的说教场所，根据青少年心理特点新开辟的互动式探索自然奥秘的科普教育活动场所，吸引了无数热爱自然的青少年朋友。“动物之美”、“恐龙世界”等，又让孩子们在欢乐轻松的氛围中，探索自然，热爱科学。
在常规展览之外，北京自然博物馆还不定期的推出各种各样的临时主题展览，例如“猛犸象”、“达芬奇科技”、“人体的奥秘”以及连续12年推出的“动物生肖”展览等都产生了比较大的影响。