Il museo possiede 23 saloni d'esposizione (su circa 5.500 m²) articolati su due piani ed un sottotetto, e preserva quasi tre milioni di pezzi. Possiede inoltre la maggiore esposizione di diorami d'Italia (un centinaio circa).

Al piano rialzato, a una sala introduttiva che delinea la storia del museo, segue una zona illustrante le Scienze della terra con la sezione dedicata alla mineralogia, quelle sulla paleontologia e sull'origine ed evoluzione dei vegetali, degli invertebrati, e dei vertebrati, e si conclude con una sala sulla storia naturale dell'uomo. Altre due sale presentano gli invertebrati inferiori, i molluschi, gli artropodi e gli insetti attualmente viventi sulla terra.

Le sale del primo piano sono per la maggior parte dedicate alla zoologia e alla presentazione dei principali ambienti naturali (ecosistemi marini; foreste e ambienti umidi tropicali; foreste temperate, taiga e montagne; ambienti artici e antartici e mammiferi marini; savane, praterie e deserti) con grandi diorami. L'esposizione si conclude con tre sale che descrivono gli ambienti, i parchi e le riserve naturali italiane.

Nel sottotetto sono in mostra una serie di piccoli diorami riproducenti dettagli degli ambienti naturali.

La sua biblioteca possiede 120.000 volumi ed ha circa 4.000 abbonamenti a riviste. Dal 1993 all'interno del Museo civico di storia naturale è collocato il Centro Studi Archeologia Africana (CSAA). Il Centro, che è stato fondato nel 1986 con l'obiettivo di sostenere spedizioni, ricerche scientifiche, mostre, conferenze e pubblicazioni sull'Africa e che opera in sinergia con il museo, è dotato di una biblioteca specializza e di una fototeca (in deposito all'interno della biblioteca del museo) e di una raccolta di stampe (oggi a seguito di una donazione di proprietà del museo stesso).