陕西自然博物馆，位于西安市长安南路电视塔周围的舟形环岛上，包括自然展馆、科技展馆、穹幕影院、室外展区、临时展览五大展区。其自然馆和科技馆以陕西电视塔为对称点分列南北两端，其中科技馆内的穹幕影院为西北首家。科技展馆外观呈玻璃球形，而自然馆则呈月牙形，分表代表“日”、“月”，寓意“日月同辉”。
自然展馆总共分为三层，一层有古生物长廊、昆虫王国、神奇秦岭三个展厅以及临展厅，二层有地质万象和生命之光两个展厅，三楼是科普影视剧场，每天定时向游客播放科普影视片。[9]肯尼斯贝林展馆分为多彩亚欧、野性非洲、雄浑美洲、奇异北极、神秘澳洲、生存法则、江海律动、穹幕影院、勇敢者通道、互动体验等10个展示体验区。室外科普体验区设有探秘梦工场、航天科技体验、矿物和化石观摩、珍稀植物鉴赏、寻梦恐龙、锦鲤喂养等区域。
陕西自然博物馆已成为市民和省内外游客青睐的著名游览景点。里面有大量的远古化石，陈列着“四大国宝”及血雉、金雕、独叶草、珙桐、红豆杉等大批珍稀动植物标本，大型古生物展示、鱼池景、仿真马门溪龙、霸王龙、百余种植物等室外景观，叙述人与自然的故事。
自然展馆自然展馆通过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、珍稀世界动物、煤海之光和生命之光七个常设展厅，主要展示陈列了5000余件标本模型，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、新芦木等珍贵的远古化石，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，呈现出一幅地球生命物种演化图。
一、地质万象展厅
地质万象展厅以展板和影像资料的形式介绍了宇宙形成与地质运动，通过沙盘、矿产标本、油气采掘微缩模型等详细展示了陕西地理和生态环境、各类矿产资源及其应用、石油和天然气的采集运输等知识。这里还展示了各种晶体标本，方解石、水晶以及绿色和紫色的萤石。
二、古生物长廊展厅
古生物长廊展厅展示了新生代、黄土高原食草哺乳动物群和中生代恐龙展区。新生代展区主要展示捐赠、收藏、征集以及陕西自然博物馆在蓝田焦岱发掘的新生代哺乳动物化石，有完整的三趾马化石，猛犸[mǎ]象化石，披毛犀化石，还有原始牛头骨等，同时展出的还有按照1：1的比例复制的黄河象。黄土高原大型食草哺乳动物群展区内有哈氏大唇犀的骨骼化石，板齿象的头骨化石，古长颈鹿化石等。中生代展区则聚焦于恐龙时代，主要展示了恐龙以及在中生代生活的各种动植物，通过中生代占统治地位的恐龙化石和展示出的中生代和恐龙出现以前的古生代出现的生命，可以了解到整个生命的历程。
令人穿越时空，回到远古生物世界，可看到各种恐龙化石和等比例模型；
三、昆虫王国展厅
昆虫王国展厅陈列着来自世界各地的珍稀昆虫标本，美国的蝶蛾、奇特的甲虫、还有好玩的互动游戏，在这里可以了解到昆虫的起源、定义、器官、形态以及昆虫与人类的关系等方面的内容。内有上千昆虫标本，还有互动游戏和昆虫模型拼接等活动；
四、神奇秦岭展厅
神奇秦岭展厅以春、夏、秋、冬四个季节为背景，再现了“秦岭四宝”——大熊猫、朱鹮、金丝猴、羚牛，以及它们的伴生动物所生活的场景。这里还陈列了华南虎、林麝等大量珍稀动物标本，以及独叶草、红豆杉、鹅掌楸等植物标本，并结合沙盘模型与视频介绍陕西各自然保护区的成就及现状。展示了华南虎、大熊猫等动物标本，以及一些珍贵植物的标本，让人宛如置身于秦岭深处；
五、珍稀世界动物展厅
珍稀世界动物展厅展示着182件来自世界各地的野生动物标本，其中有136件是由肯尼斯·尤金·贝林先生捐赠的。整个展厅分为非洲、美洲、极地、大西洋和宇宙五个展区，真实再现衍生动物生活场景。以体验式布展方式，使参观者身临其境感受动物世界，珍惜野生动物，维护生态平衡。从羚羊跪拜的故事讲到狼吃东郭先生的生态失衡，讲到相生相克彼此依存，都在启发人们有责任和义务保护世界动物，实现世界生物“大团圆”的美好愿望。非洲展区有斑马、犀牛、非洲象、斑鬣狗，非洲狮等动物；美洲展区有骡鹿、美洲羚羊、白尾鹿、灰狐、条纹臭鼬等动物；苔原带动物区有驯鹿；极地冰川动物区有擅长奔跑和游泳的北极熊、雪地精灵北极狐、还有雪鸮等动物；大西洋动物有旗鱼，它们是海洋中的游泳健将，平均时速90千米。
六、煤海之光展厅煤海之光展厅揭示了煤炭的形成过程、煤炭与植物间的关系、煤与电的关系，展现从汉代起煤炭开采技术的演进，及古代采煤的规章制度。陕西先民早在6000多年前便利用煤炭中质硬的特殊部分——煤玉制成了各式各样的煤玉器物。展出的煤玉玦[jué]就是宝鸡市茹家庄出土的奴隶主的陪葬饰品。此外，展厅还展示雷击木化石及陕西电力发展的标志——六棱形光电柱。
七、生命之光展厅
向观众讲解人体的神奇奥秘，可以代替家长了解难以启齿的“性”。
七、肯尼斯·贝林展馆
肯尼斯·贝林展馆位于陕西自然博物馆北侧的球体建筑内，展馆以“星球·自然·共生”为主题，以“与动物同行”为展示主线，以世界野生动物标本为基础，辅以沉浸式展示方法，分为多彩亚欧、野性非洲、雄浑美洲、奇异北极、神秘澳洲、生存法则、江海律动、穹幕影院、勇敢者通道、互动体验等10个展示体验区，共展出七百余件世界珍稀野生动物标本。
八、科技环廊展厅
有趣的互动体验项目，激发孩子们对科学技术的兴趣和热爱。机器人对战、魔法实验课堂、航模制作、挑战动物博士、森林舞会快闪：“大熊猫”“非洲狮”“大恐龙”“长颈鹿”等合影、擎天柱与大黄蜂互动、武林“萌”主脱口秀：科普老师展示荣获全国十佳教学案例的《武林“萌”主——大熊猫》课程、与国宝互动等。建议带着孩子至少游玩一次，就当是自然、科技教育启蒙。
九、重要馆藏
1、古生物标本
古生物标本主要有平齿三趾马、龙虾、古长颈鹿头骨、野猪下颌骨化石、三燕丽蟾等。[20]2012-2014年，陕西自然博物馆研究人员根据三个孩子提供的线索，在陕西蓝田汤峪河发现了晚中新世早期哺乳动物化石。这次发现获得了大量三趾马、犀牛和羚羊等古脊椎动物化石，对探究那一时期的古哺乳动物和当时自然环境提供了新的化石证据。[21]三燕丽蟾为国家一级化石标本，[22]由辽宁朝阳济赞堂化石馆馆长李海君于2014年1月向陕西自然博物馆捐赠。
2、兽类标本
兽类标本包括羚牛、金丝猴、非洲白狮、大熊猫、狍、梅花鹿等。
3、鸟类标本
鸟类标本包括朱鹮、酒红朱雀、火斑鸠、灰背隼、反嘴鹬、雀鹰等。
4、植物标本
植物标本包括茶花、绿色绣球花、北京花楸、黄果茄、薄果猴欢喜、顶蕊三角咪、黄果茄等。
5、昆虫标本
昆虫标本包括丽斑尾凤蝶、克里翠凤蝶、金带喙凤蝶、金斑喙凤蝶、红颈鸟翼凤蝶、光明女神闪蝶（雄性）等。
6、矿产标本
矿产标本包括祖母绿、自然铜、紫龙晶、萤石结核、萤石蝴蝶等。