馆藏展品已达20万件,主要分为古生物化石标本、典型矿物标本和现代生物标本三大类,集科普教育、博览展示和标本珍藏于一体。藏品的主要来源为社会征集,其中不少名贵的珍品属中国独有乃至世界罕见,化石中年代最久远的已有三亿五千万年的历史,具有非常重要的科研和考古价值。馆藏展品主要以矿物标本和古生物化石为主。9个矿物标本展厅内,收藏有世界各地的珍奇标本上万件。2006年被欧洲《矿物宝石标本》杂志评为年度十佳的新疆碧玺,它集天地精华于一体,流光溢彩,为世界一绝;产于新疆奇台的硅化木长达38米,堪称世界之最;产于中国水晶之乡——江苏东海的重3.9吨的水晶单晶体为亚洲之最;重达338.6克拉的金刚石,是我国有文字记载以来产出的最大的特大金刚石,比号称中国之最的“常林钻石”(重158.78克拉)重179.82克拉,呈金刚光泽,宝光熠熠;在世界上最大的石膏标本展厅内,各种透明石膏晶莹剔透,琳琅满目。