MTA Tabiat Tarihi Müzesi'nde aşağıdaki bölümler ve sergiler bulunmaktadır: 1. Paleontoloji Bölümü: Mamut, gergedan, fil gibi büyük memeli hayvanların fosilleri, dinozor fosilleri ve rekonstrüksiyonları, bitki fosilleri. 2. Mineroloji ve Petrografi Bölümü: Türkiye'nin zengin mineral ve kayaç çeşitliliği, değerli ve yarı değerli taşlar, volkanik, metamorfik ve sedimanter kayaç örnekleri. 3. Biyoloji Bölümü: Türkiye'de yaşayan kuş türlerinin doldurulmuş örnekleri, memeli hayvan örnekleri, sürüngen ve amfibi örnekleri, böcek koleksiyonları, deniz canlıları örnekleri. Ayrıca müzede, görme engelli vatandaşlar için özel bir bölüm, diyorama bölümü (Türkiye'nin hayvan ve bitkilerine ait canlandırma vitrinleri) ve planetaryum gibi interaktif öğeler de yer almaktadır. Müze, bilimsel araştırmalara ev sahipliği yapmanın yanı sıra eğitim programları ve seminerler de düzenlemektedir.