館內還設有幾個專題展館，如“人體真奇妙”、“水生生物館”、“恐龍世界”等，以及根據青少年心理特點新開辟的互動式探索自然奧秘的科普教育活動場所——探索角。同時，本館每年都會推出若幹個臨時性展覽各種臨時性專題展覽，影響較大的包括“優生優育”、“人與生物圈”、“香港自然風光”、“人體真奇妙”以及連續12年推出的“動物生肖”展覽等，其中青春期教育展覽“男孩女孩”展覽被北京市精神文明建設委員會評為“首都精神文明建設最佳活動” 獎和“首都精神文明建設最佳活動創意” 獎。目前博物館常年還保持1—2個優秀展覽在全國各地巡回展出。
近年來，北京自然博物館的專業展覽曾多次走出國門，如“中國恐龍展”曾先後在新加坡、香港、馬來西亞、韓國、日本、瑞典、芬蘭、美國、澳大利亞、新西蘭等許多國家和地區展出。從1977年開始，還先後引進過“澳大利亞特有動物”、法國“性的自然史”、臺灣臺中自然科學博物館的“鯨的故事”等展覽，1997年還與香港海洋公園聯合舉辦過“白鰭豚” 展覽。
生命起源和早期演化展廳
在生命起源和早期演化展廳中，藍色的裝飾暗示著大海是生命的搖籃。在距今5.3億年前的寒武紀早期，海洋中突然出現了大量的無脊椎動物，古生物學家稱這種現象為“寒武紀生命大爆發”。本展廳復原了當時海洋的繁榮景象，講述了生命起源的理論，並以豐富的化石供觀眾欣賞和分辨，介紹了生物由原核生物向真核生物發展的復雜演化歷程。展覽詳盡記述了世界上著名的澄江動物群、埃迪卡拉動物群、凱裏動物群、甕安動物群，還介紹了達爾文進化論的基本觀點和所面臨的理論挑戰以及生物進化歷史上的動物絕滅事件。
古無脊椎動物展廳
古無脊椎動物包括原生動物、海綿動物、腔腸動物、腕足動物、軟體動物、節肢動物、棘皮動物等門類。碩大的鸮頭貝矗立在本展廳門口，象征著無脊椎動物的繁盛歷史。展廳展示了壹億多年前地球上的繁榮景象，詳盡講述了古無脊椎動物興盛衰亡的發展歷史。大量熱河生物群的古生物化石、特別是遼寧西部的帶毛恐龍化石都會引起觀眾的濃厚興趣。
動物-人類的朋友展廳
動物基本陳列包括：序（生物多樣性）、無脊椎動物、魚類、兩棲動物、保護動物、昆蟲世界等6個主題單元。
昆蟲世界 昆蟲在分類上屬於動物界、節肢動物門、昆蟲綱，是動物界中最龐大的壹個類群。全世界已知昆蟲100多萬種，它們的分布極為廣泛，種群數量十分驚人。昆蟲在漫長的進化過程中形成了獨特的形態結構和生活習性，它們是生物多樣性中重要的組成部分，構成了自然生態系統中不可或缺的壹環，在自然界中起著重要的作用，與人類的關系極為密切。《昆蟲世界》從“什麽是昆蟲”、“昆蟲與環境”、“昆蟲的特化”、“昆蟲的壹生”、“昆蟲的行為”、“昆蟲與人類”幾個方面展現了多彩多姿的昆蟲世界。
動物之美展廳
“動物之美——貝林捐贈世界動物標本展”以美國肯尼斯·貝林先生捐贈的世界各地的珍貴動物標本為基礎，還原了野生動物賴以生存的生境，並結合中英文圖板和各種新奇的現代化展示技術手段，準確、科學地將非洲、北美洲、歐亞大陸等世界上最具代表性的野生動物栩栩如生地再現於觀眾面前，充分地展現了動物之美。 展示內容主要分為三個部分：狂野奔放的非洲原野、深邃迷離的北美洲叢林以及自然野性的歐亞大陸北部冰雪世界。展覽采用了超薄漸變式和卷動式展箱，在文字上也首次采用了完整的中英文雙語說明。該展覽通過把握空間、色彩和造型等設計要素，利用自然還原、藝術概括、互動啟發等現代展示手法，充分展示了紛繁多樣的具地域特點的動物及其生存環境，體現了人與動物和諧相處的展示思路。展覽在10余種互動式展示項目中增加了許多新奇的展示手法，特別是各種聲、光、電技術和多媒體計算機技術運用加強了展覽的科技含量，豐富了展示手段並增加了觀眾的趣味性和觀賞性，如利用特殊材料制成的能在空中飛舞的蝴蝶、用三維技術制作的動物聲音世界、動物腳印的認知、動物毛皮的觸摸……這些都能讓觀眾在參與中感受動物王國，在歡樂中親近動物世界。
肯尼斯·貝林（Kenneth E. Behring），世界輪椅基金會創始人、主席，中國殘疾人福利基金會理事，1928年出生在美國威斯康星州，幼年家境貧寒，但憑借堅韌不拔的努力，從汽車行業白手起家，成為壹名成功的商人和投資家。貝林先生是壹位有愛心的慈善家，他於2000年成立了世界輪椅基金會，致力於改善全世界弱勢群體的生活，為其慈善事業翻開了新篇章。貝林先生在世界各地收集和制作了很多動物標本，並在年事已高之時決定將眾多動物標本無償捐贈給北京自然博物館進行收藏和展示，這些制作工藝先進、形象逼真的野生動物標本，在逼真的生境背景的襯托下必將帶給觀眾帶來強烈的視覺沖擊力，產生深深的***鳴。
古爬行動物廳
古爬行動物廳向觀眾展示了生物界兩億多年前的景觀，並以總鰭魚、魚石螈、蚓螈和異齒龍為代表，演示了脊椎動物從水域向陸地發展的復雜過程。大廳中央展示了栩栩如生的恐龍骨架群，如中國人發現的第壹條恐龍——許氏祿豐龍，體長達26米的井研馬門溪龍，稱王稱霸的霸王龍，小巧玲瓏的恐爪龍，背上布滿劍板的沱江龍，威風凜凜的永川龍，展翅翺翔的翼龍，稱霸海洋的魚龍。多媒體電腦可以讓觀眾欣賞到恐龍的原始埋藏狀態，並通過“化石搜尋器”來體味古生物學家挖掘恐龍化石的艱辛和樂趣，從模擬地層演示中體會到地球滄海變良田式的重大地質變化過程......
古哺乳動物廳
哺乳動物是由擬哺乳動物演化而來的。由於其特有的恒溫優勢以及中生代濕暖潮濕的氣候條件，哺乳動物得以復蘇和大發展。該展廳館分別詳細介紹了長鼻類、奇蹄類、偶蹄類、食肉類、靈長類和被子植物的演化歷程以及著名的山旺生物群。 在展廳中，觀眾可以看到階齒獸的復原圖和骨骼標本，它是恐龍絕滅後地球上同期最大的哺乳動物；可以欣賞到龐大的象類家族，包括赫赫有名的高4米長8米的黃河象和鏟齒象。觀眾還可以欣賞到壹件十分引人註目的標本：目前最早的被子植物化石——世界上第壹朵花遼寧古果。
恐龍公園廳
“恐龍公園”以三疊紀—侏羅紀—白堊紀的時間順序栩栩如生地復原了恐龍時代的面貌：活靈活現的蜀龍動物群，恐龍世界中弱肉強食的血腥場面，神秘莫測的侏羅紀大峽谷，恐龍時代海洋的繁榮景象，1.26億年前的熱河生物群…… 觀眾可登高俯瞰“恐龍世界”全貌，可穿越瀑布感受水簾洞奇景，也可駐足小型影視廳觀賞精彩的恐龍科教片。
植物世界廳
北京自然博物館《植物世界》大型植物專題展覽於2007年7月向公眾推出。展覽面積800余平方米，內容涵蓋陸地植物演化、植物功能和現代植物景觀三大主題，從史前滅絕的植物類群到今天多姿多彩的植物，從植物的微觀結構到植物群落和生態系統宏觀景觀，全方位多角度展示植物的魅力。展覽運用了聲、光、電和多媒體等技術，以及先進的科學儀器，將植物學知識巧妙融合在景觀、動畫、科學實驗和遊戲中。實現科學性、觀賞性和趣味性的完全統壹，為觀眾展示了壹個欣賞植物、認識植物的精彩世界。 植物演化部分是以早期陸地植物起源為起點，以陸地植物演化過程為主線，整體復原已經滅絕的多種植物類型，展示了早期陸地植物剛剛開始登上陸地的景觀，繁盛的蕨類植物景觀，裸子植物景觀和早期的被子植物景觀，展示著史前植物的神奇之美。 植物景觀部分是以現代的植物群落和植物生態系統為基礎，采用背景畫與前景植物相結合的手法，真實展現分布在我國不同地區的六種典型植物景觀：荒漠、典型草原、典型濕地、山地、熱帶雨林以及紅樹林植物景觀，營造出壹個多姿多彩的現代植物世界。 植物功能部分是壹個充滿動感、充滿活力、充滿趣味性的展示空間。分別針對植物的生長運動，運輸系統，光合作用，開花傳粉，種子散播和生存策略等內容，通過模型、標本、文字圖片等多種方式進行描述，巧妙地回答了植物作為地球生態系統的初級生產者，如何維持地球生態系統的有序運轉，如何實現自身結構和功能的相壹致，如何適應其周圍的環境，實現與環境的和諧***存等等有趣的科學問題。
探索角
“探索角”是北京自然博物館吸收國外壹些博物館的先進經驗建立的青少年活動場所，宗旨是打破博物館的傳統式展示，變被動的灌輸為主動的探索。 在這裏，各項活動都鼓勵觀眾參與，充分發揮他們的主觀能動性，因為心理學研究表明，多種感官的***同協作往往比單獨的視覺或聽覺得到的信息記憶更深刻。
“探索角”分為幾大活動區，都向觀眾免費開放。在“報告閱讀區”裏，觀眾可以自由閱讀科普書籍，還可以盡情上網檢索自己感興趣的信息。“兒童區”主要針對3-7歲的小朋友，他們在這可以充分發揮自己的想象，畫出他們在自然博物館中的所見所聞。在“試驗活動”區裏定期組織專題實驗；觀眾還可以利用顯微鏡自由觀察微觀世界。此外，“探索角”提供了各種生物學模型供觀眾自行拼裝，還展示著美輪美奐的動物標本與知識牌，更為整個“探索角”增添了無窮樂趣。 在這裏，註重的是培養孩子們的科學興趣、科學思維和探索精神，讓他們在輕松、快樂中掌握知識、發現問題和培養興趣。
動物的奧秘廳
《動物的奧秘》基本陳列是壹個嶄新的精品展覽，展覽內容精練、準確，講究學術性，展品制作精益求精，具有可視性、娛樂性、可參與性、知識性、科學性、思想性以及可持續發展性和時代感。 《動物的奧秘》基本陳列展示內容新穎、功能完善、面貌壹新，具體體現在展示內容和展示方式上，許多內容都體現了設計者的創新手法，在藝術形式上也有新的突破，采用了後現代語言和波譜式手法，給內容主題更好的烘托，使科學和藝術達到完美的結合，給觀眾以美的享受。
《動物的奧秘》完全擯棄了過去沿襲動物分類模式的作法，而是抓住了動物在形態、生理和行為等方面對生存環境的巧妙適應，從而成功地展現了動物生存和繁衍的主題，通過培養觀眾對動物奧秘的探求的濃厚興趣，達到提高保護動物的自覺意識、進行素質教育的目的。
《動物的奧秘》所展示的動物科學知識非常全面，不僅講述了各種典型棲息地的動物對環境的適應以及動物的休眠、遷移等主動適應環境的行為，而且包括動物的日常行為、動物之間的關系、動物的運動、感覺、覓食、防禦、繁衍等方面的內容。在所展示的知識中還特別註重內容的趣味性，大量有趣的動物知識在展覽中隨處可見。 展覽中設計了大量寓教於樂的遊戲項目，其中“鳥語圖”和“胭脂魚的成長過程”等展示內容都采用了現代化的展示技術手段。觸摸屏電腦中利用多媒體技術精心設計了“動物生存的奧秘”、“動物繁衍的奧秘”、“食物鏈”、“森林火災後的故事”和“動物之最”等有趣的內容。 動物的運動和求偶炫耀是其生命中最精彩的篇章。為了充分表現這壹主題，展廳中通過彩色電視機播放的精彩畫面產生的視覺沖擊力，使觀眾不僅了解到動物的各種運動形式和奇妙的求偶舞姿等科學知識，更能得到美的享受，心靈得到凈化和升華。 《動物的奧秘》中的動物標本經過精心挑選，都是館藏的精品，其中有不少是采用了先進的生物塑化技術制作的新標本。展覽中最突出的壹點是設計了大量的動物生態景觀，逼真的極地、荒漠等景觀靈活地再現了動物的各種生存環境
現在的開放的展廳包括：古代爬行動物、古代哺乳動物、世界動物展、植物世界、人體、恐龍公園、動物奧秘、鯨魚的密碼（收費）以及3D影院和探索角，3D過年的時候新增加了影片，探索角周末會舉辦些兒童活動。