天津自然博物馆始名北疆博物院，建于1914年，是我国著名自然博物馆之一。它以历史悠久、馆藏丰富、科研成果卓著享誉中外。馆藏的生物、地质、化石标本，以其来源广泛、门类齐全和珍品荟萃形成三大特色，为天津自然博物馆的收藏、研究、展示及世界性学术交流合作奠定了坚实的物质基础。
天津自然博物馆的基本陈列包括：序厅、古生物一厅、古生物二厅、水生生物厅、两栖爬行动物厅、动物生态厅、昆虫厅、海洋贝类厅、热带植物厅。这些陈列采用国际博物馆界流行的主题单元展示法，围绕“地球与生命”这一主题，集中表现了物种的多样性、生态的多样性、生物与周围环境的统一、人与自然的和谐。建筑面积10716平方米，其中展厅面积2700平方米,是我国历史最长、藏品最丰富的地矿、生物学科的自然博物馆之一。馆藏以古生物、动物、植物标本为主，有标本近40万。其中以古生物化石最为珍贵。2004年建成开放的天津“海洋世界”填补了天津市大型海洋馆的空白。展厅设多媒体触摸屏参与项目、电教厅具备大屏幕投影设备。馆内备有语音导览机，设有无障碍通道和轮椅以及观众休息厅。

新馆展厅内外有完善的服务设施设备，三楼有电教厅，二楼有观众休息厅（博物馆纪念品商店），还为残疾人设置了无障碍通道及专用卫生间。为方便外国朋友参观，设置了三个语种的语音导览机，且不受参观路线的限制。

序厅：当您步入陈列大厅，一幅美丽的自然景观就呈现在您面前：葱郁的森林，清澈的泉水，湛蓝的天空，伴着鸟语花香好不惬意！大自然正向您敞开宽广的胸怀，任您遨游、求索、吸取、享受……横亘其下方的近百平方米紫铜浮雕壁,它把人们带向远古,去寻觅生命发生、发展之源,探知生物进化的历史轨迹。序厅是以"地球与生命"为主题进行设计的。我们居住的地球已经历了大约46亿年的发展历史。她是人类迄今确知唯一具有生命的星球。设置于序厅中央的大型地球模型,将告诉人们地球的形态、结构和自转运动,并依次显示地核、地幔、地壳、岩石圈、水圈、生物圈、大气圈等内外圈层。笼罩其上方的拱形天幕,将设置数个星座,寓意地球系运行于宇宙间的一颗天体。

水生生物厅：从太空看，地球是一颗蓝色的行星，它表面70%以上的面积被水覆盖。它孕育出地球上最初的生命，并繁衍出一个非常多样的水生生物世界，从最简单的原生生物到大脑发达的哺乳动物。由水生生物组成的生态系统对维持生态平衡起着重要作用。这里，旨在通过活的水生生物使您近一步体会生物多样性及生物与环境的关系，向公众展示五彩缤纷的海洋生物世界，提倡热爱海洋，保护海洋资源，珍惜自然的环境意识。让我们一起来认识海底世界，保护地球家园，使我们共有的海洋世界永远焕发勃勃生机。

昆虫厅：在广袤的大自然中，生活着一类体型较小、种类繁多、色彩斑斓、形态各异、生机勃勃的小动物——昆虫。它几乎占据了地球的每一个角落。据统计，在地球上约有 100万种昆虫，占已知动物类的3/4。其种类之多，数量之大，是任何其它动物所无法相比的。它们必然对我们人类产生不可低估的影响。展览分为两大部分：第一部分昆虫大世界，通过比恐龙出现更早的动物——昆虫；昆虫的近亲；生命的故事——昆虫变态；保全生命的自卫与伪装艺术；一只昆虫的构造解剖，介绍了昆虫的基本知识。第二部分千姿百态的昆虫。通过有原始状态翅的昆虫；最美丽的昆虫——蛾和蝶；身披盔甲的昆虫——甲虫；排放臭味的昆虫；会唱歌的昆虫；令人讨厌的昆虫；社会性生活的昆虫；世界各地的观赏昆虫的展现能使您增长昆虫方面的知识，开阔视野，充分领略昆虫世界的神奇魅力，为您的生活增添一份新的乐趣。

热带植物园：在170平方米热带温室内，您可以看到蒲葵、假槟榔、酒瓶椰子、泰氏榈、榕树、菩提树、苏铁、南洋杉、鹤望兰、巨人旅人蕉等典型热带植物，在林下还有乌毛蕨、凤尾蕨、小鹿角蕨等蕨类植物。此外，您还能见到木叶仙人掌、犀角、铁兰、蝴蝶兰、万带兰、猪笼草、铁十字海棠、哥伦比亚花烛及非洲紫罗兰等。

两栖爬行厅：在大自然的怀抱中，人与动物戚戚相关，共同拥有这个充满生机的世界。为了让观众更多地了解丰富多彩的动物世界，这里展出了珍贵稀少的两栖爬行动物的神态憨姿，介绍了各种动物的产地、生活习性、形体特征，其中包括被称为活化石的扬子鳄、最大的两栖动物——大鲵、最大的蛇类─—蟒蛇、以及凶残的湾鳄等，让您去了解动物世界，增长科学知识。

海洋贝类厅：海洋贝类作为奇妙的海洋生物世界的一大种族是动物界中的第二大类群。该厅试图通过大量珍稀热带海洋贝类标本向广大观众打开一扇了解海洋，认识海洋贝类资源的窗口，该厅分贝类漫谈、沧海桑田贝壳堤、天津沧桑多变三个部份，由浅入深地向观众提示贝类漫长而复杂的演化过程。海洋贝类厅将把您带到一个神奇的海洋贝类世界，在那里您可以领略到形态多姿，色彩斑斓的热带海洋贝类。再现了天津古海岸与湿地自然保护区以及天津沧海变桑田的演变过程，从而唤醒人们保护自然环境。

古生物一厅：本厅主要展现中生代爬行动物大发展的热闹非凡的场面,突出深受广大观众青睐的中生代特有动物——恐龙的风采,使大家获得更多的有关恐龙的知识。中生代,即地球史的中世纪生命的时代,划分为三个时期——三叠纪、侏罗纪和白垩纪,大约从距今2.5亿年前开始到6500万年前止,延续了 1.85亿年。中生代时期,气候温暖、湿润,四季如春,到处生长着蕨类和银杏、苏铁、松柏与裸子植物,这种环境很适宜爬行动物生存,尤其是各类恐龙,迅速繁衍、分化、遍布世界各地,成功地成为当时地球上的统治者。因而中生代被人们称为"爬行动物时代"或"恐龙时代"。

古生物二厅：该厅展出的是距今1000万年到1万年间的古哺乳动物,它们是在甘肃庆阳、山西榆社、河北阳原和内蒙萨拉乌苏等地出土的,已在本馆珍藏了半个世纪以上。今天在地球上生活着的哺乳动物,大约有四千多种。然而在漫长的岁月中,曾经有更多种类在世界上生活和繁衍过一个时期,后来又灭绝了。这次展出的标本，再现了远古生物的真实状况，以使人们更好的了解古代哺乳动物的演化过程。

动物生态厅：该展厅展示的是按生态地理形式陈列的爬行、鸟兽动物群。既有东北的浩瀚林海，也有辽阔的塞北草原；亚热带的高山林灌，还有南疆的热带雨林。生活在其中的动物栩栩如生，丰富多彩，共约140种，200余件。展览配以高山、流水，并利用高科技手段展示了它们生活的动态场景及动物种类白天和黑夜的变化，走上松软的草地，来到高大的榕树下，使观众犹如走进旷野，一览大自然的生机与活力。动物生态厅还有多媒体触模、电脑拼图、连线问答等让观众亲自动手，使观众流连忘返。由于环境的破坏，一些动物正在走向灭绝，犀牛发出的阵阵呻吟，又使我们想些什么呢？保护植被，保护动物，让我们的地球再现碧绿方舟，鸟语花香。

天津自然博物馆基本陈列经中国科学博物馆协会组织博物馆界知名专家、生物学家、古生物学家对该馆的展示进行详细而认真的评估，专家们一致认为该馆展示新颖别致、是科学、艺术、与高科技的有机结合，体现了现代博物馆的新思维与风貌。新馆陈列经中国自然科学博物馆协会组织专家评审，给予高度评价，并荣获国家文物局颁发的“全国十大陈列展览精品”奖。