该馆在丰厚的馆藏基础上建立了一套内容完整的基本陈列，包括地球厅、矿物岩石厅、宝石玉厅、史前生物厅等四个部分，面积共2500平方米，另有临时展览面积1500平方米。

　　地球厅以动力为主线，介绍了在内外动力的作用下，地球上发生的重要地质作用。东展线介绍内动力地质作用，以板块运动、褶皱断裂、火山、地震等地质作用为重点，西展线以外动力地质作用为主，主要介绍了水和风的地质作用。相对来说，内动力地质作用更加宏观壮丽，它们主要是使地壳上升、增厚，形成许多巨大雄传的高山峻岭，而外动力地质作用则比较和缓，好像一把刻刀，雕刻出各种壮美的山川地貌。

　　矿物岩石厅采用雅俗共存、动静结合、虚实呼应、寓教于乐的设计方式，使观众通过参与、欣赏展厅的展品，可了解自然界中矿物岩石的成因，原始产出情况、自然界种类繁多千资百态的矿物岩石、代表性矿物岩石的感官特征及可供人们使用的特性。观众在欣赏各种精美奇特的矿物岩石展品时，通过交互式展览和虚拟展出部分，可参与对一些矿物岩石展品的探索性操作，获得相关知识。

　　史前生物厅，以生物进化过程中发生的重大事件为线索，向观众介绍生物的发展厅程和各地质时期常见的化石，展示地球上生物的发生、进化和灭亡的过程。

　　从空间布局上，整个展厅可以分为两大部分。

　　第一部分是小序厅，包括了一面艺术化的化石精品墙、一个可以互动操作的多媒体展具——简明生物分类查询系统，及一些有关化石的基本常识介绍。

　　第二部分是该展厅的主要陈列内容，共分为八个单元。第一单元——最早期的生命；第二单元——生物大爆发；第三单元——海生无脊椎动物时代；第四单元——脊椎动物的出现；第五单元——生物登陆；第六单元——生物大绝灭；第七单元——恐龙与鸟类；第八单元——哺乳动物与人类；

　　此外，在该展厅的南过道，还陈列了鱼龙、中国安琪龙、翼龙化石的模型各一件，以及一件观众可以触摸的长达5米的大型鱼龙化石、一个演示化石是如何形成的多媒体展具。

　　该馆常年开放独具特色的陈列展览，长期开展丰富多彩的科普活动，24年来不间断出版《地球》杂志，每年举办全国青少年地学夏令营，先后被命名为“北京市优秀爱国主义教育基地”、“北京市科普教育基地”、“全国科普教育基地”、“全国青年科技创新示范基地”、“全国青少年科技教育基地”。