本館のエントランスをくぐると、まず来館者を圧倒するのがシンボル展示である「松花江（しょうかこう）マンモス」と、巨大草食恐竜「ヌオエロサウルス」の全身骨格レプリカです。体高約4.5メートル、全長9メートルを超えるマンモスの威容は、入館直後から一気に太古の世界へと引き込みます。
常設展示室は「進化する宇宙」「地球の生いたち」「自然のしくみ」「生命のふしぎ」「人間と自然」という5つの基本テーマで構成されており、順路を進むごとに地球46億年のドラマが展開します。
中でも最大のハイライトは、第2総合展示室「地球の生いたち」にある白亜紀の生態系ジオラマです。巨大なティラノサウルスとトリケラトプスがリアルな咆哮とともに滑らかに動き、獲物を狙う緊迫した様子が再現されています。センサーと精緻なメカニクスによって制御されたロボット恐竜の挙動は迫力満点で、小さな子どもが驚いて泣き出してしまう場面も見られるほどリアルです。
さらに、館内には茨城県内の水辺環境を再現した大型水槽や、身近な昆虫・植物のミクロの世界を巨大模型で体験できるディスカバリープラザなど、五感を使って学べる工夫が随所に散りばめられています。
