古脊椎動物館
脊椎動物演化的第壹次革命，是脊椎的出現。由於有了脊椎的支撐，動物們更加堅強 和靈活，適應性也更強，為以後數億年的進化奠定了基礎。
5億多年前，最早的脊椎動物——無頜類誕生在寒武紀的海洋中。蔚藍色的海洋不僅孕育了地球上最初的生命，也見證了這次生物進化史中的重大事件。4億多年前，“頜”的出現把魚類推上了歷史的舞臺，古生代的海洋便成為魚的世界。接著是脊椎動物征服大陸環境的嘗試，最早的四足動物——兩棲類也因此而產生。在距今4億～3億年前，爬行動物產下了第壹枚“羊膜卵”，標誌著它們對陸地生活更加適應了。中生代登場的是鳥類和哺乳動物，它們都是爬行動物的後代，其中鳥類還與恐龍結下了數不清的恩恩怨怨。
古脊椎動物館展出的是我國從事古脊椎動物學研究的幾代科學家半個多世紀以來調查采集到的各門類脊椎動物化石中的精品。
魚和兩棲動物展廳
古魚類
從地球上的第壹條魚發展到目前脊椎動物中最繁盛的類群，與恐龍等爬行動物大起大落的發展史相比較，魚類的演化看起來是那樣的漫長而又波瀾不驚。其實，這個過程中隱含著脊椎動物進化歷程中兩次重大的革命：頜的出現與登陸的發生。古生代海洋中笨重的遊泳者裏發展出了兩個大的分支，壹個進壹步適應於水中的生活，並最後進化為今天的各種魚類，成為地球水域的徹底征服者；另壹個則離開了水域，向生活環境更多樣化，更富於挑戰的陸地發展，成為今天的四足動物（包括兩棲動物、爬行動物、鳥類和哺乳動物）。
在古魚類化石展區中，觀眾可以見到各地質時期，各個演化階段的魚化石，包括帶盔披甲的無頜類、原始的盾皮魚類、高等魚類化石等。被稱為活化石的拉蒂邁魚也在本館內展出，這是目前國內保存最為完整的拉蒂邁魚。
古兩棲類
在大約3億6千萬年前，地殼變動，海陸變遷，壹群勇敢的魚——總鰭魚類率先爬上了陸地。它們學會了用肺呼吸，鰭也變成了強壯的四肢，並更名換姓改稱“兩棲”，完成了脊椎動物由水登陸的壹次重大的飛躍。這個“登陸”的過程對它們來說只是壹小步，但對於生命的演化來說卻是壹大步。從此陸地上熱鬧起來了，四條腿的動物們有的爬行，有的奔跑，有的還生出羽翼飛上了天空。這壹切都是源自“兩棲”的發生。
兩棲類展區展出的是我國發現的2億多年前（二疊紀）至1千多萬年前（新生代的中新世）的兩棲類化石。由於兩棲動物的軟骨較多，且它們多生活在潮濕的環境，死亡後屍體很快腐爛，很難保存為完整化石，因此本館內展出的標本都是兩棲動物化石中的珍品。
爬行動物和鳥類展廳
古爬行動物
三億多年前，兩棲類中的有誌者，壹類迷齒兩棲動物，為了更好地征服廣袤的大陸，終於產下了“羊膜卵”。它們也因此搖身壹變成為爬行動物。這是生命演化史上的又壹次飛躍。到了中生代，爬行動物終於統治了世界：天空翺翔著翼展達16米的翼龍，海中隱藏著重達150噸的蛇頸龍，陸地上則遊蕩著成群結隊大小懸殊的各類恐龍。然而白堊紀末它們遭到了毀滅性的打擊。盡管如此，今天的地球上仍然存在壹個千奇百怪且種類繁多的爬行動物大家族。
古爬行動物展區中，展出了各類爬行動物化石，有我國發現的最大的淡水龜化石——南雄龜、古老的鱷魚化石、被稱為中生代的海怪的海生爬行動物、中生代的空中霸主——翼龍、中生代的霸主——恐龍、哺乳動物的祖先——似哺乳爬行動物。
古鳥類
鳥類是脊椎動物向空中發展並取得最大成功的壹支。自從1861年德國發現的第壹塊始祖鳥標本公諸於世之後，鳥類的起源就引起了古生物學家的極大關註。但是由於在以後壹百多年中鳥的化石發現很少，因而對鳥化石的研究壹直沒有多大的進展，直到20世紀80年代我國第壹塊鳥化石在甘肅發現，之後又陸續在我國遼寧朝陽等地發現了世界上最完整的鳥類化石，我國鳥化石研究工作有了迅速發展。我國已成為擁有早期鳥類化石最多的國家，是世界上當之無愧的研究早期鳥類起源和演化的中心。
本館古鳥類展區中展出了各地質時期的各種鳥類化石，其中包括世界上已知最早有喙的鳥、除始祖鳥以外最著名的化石鳥類——孔子鳥等著名的古鳥類化石。
古哺乳動物展廳
本展廳中，通過大量豐富的哺乳動物化石的展示，使觀眾從中了解哺乳動物在經歷了上億年的發展過程中是怎樣由最初的微不足道的小動物發展成為今天在地球上占有優勢的種類繁多的大家族。哺乳動物盡管種類眾多,但仍有許多種類都已經絕滅或面臨淘汰；如果不是人們發現了它們的化石,我們很難想象出古老的哺乳動物究竟是個什麽樣子。
熱河生物群特展
“熱河生物群”，被國際古生物學界稱為“二十世紀最驚人的古生物發現”，但很多人對它並 不熟悉。不過如果提起“帶羽毛的恐龍”、“世界上最早的花”、“吃恐龍的哺乳動物”、“長有四個翅膀的恐龍”、“世界首枚翼龍胚胎”等，大家就可能有所耳聞了。這些引起公眾極大興趣，並在世界上引起轟動的著名化石，都屬於“熱河生物群”。
熱河生物群的化石都珍藏在國家的各個研究機構，普通觀眾難以觀其真顏。如今，中國古動物館特別推出了“熱河生物群——1億多年前生命的輝煌” 特展，展出了這些在世界上引起轟動、令諸多古生物學家及古生物愛好者為之向往的重要化石，包括長有四個翅膀的，世界上最小的恐龍小盜龍，最早具有鳥喙的古鳥類孔子鳥、吃恐龍的哺乳動物爬獸、吃同類的爬行動物滿洲鱷，世界首枚翼龍胚胎，世界保存最好的古鳥胚胎等世界級珍貴標本。魚蝦昆蟲、青蛙烏龜翼龍恐龍，各類化石應有盡有。會讓觀眾壹飽眼福。
配合此次特展，還特別制作了兩套可以與觀眾互動的帶毛恐龍的三維動畫，再現了些神秘物種的生活。
世界著名學術刊物《Nature》雜誌上發表了由中國科學院古脊椎動物與古人類研究所古生物學家汪筱林、周忠和研究員和巴西科學院的兩位學者合作研究的熱河生物群中兩種新的翼龍，它們的兩翼展開可達2.5米，是兩個世紀以來相同類群的翼龍在歐洲大陸之外的首次發現。其中的壹種化石——楊氏飛龍。
樹華古人類館
我們人類是進化出來的動物，但是人類演化的歷史卻非 常久遠。如果追溯到早期靈長類，它們起源於食蟲類祖先，可能在7千多萬年前的白堊紀晚期就已經出中生代的森林中。它們大多數很可能是夜行性的，看起來有點像現代的狐猴。然而，盡管它們有相對大的腦子、朝前的眼睛和對握的手，但它們並沒有立刻統治地球。而靈長類的進化壹直在悄悄地進行著，古新世時出現了古老的猴子——更猴，到了距今4千多萬年前，原始的類人猿也出現了，有確鑿的證據表明它們中的許多是白天活動的社會性動物。直到大約600多萬年前人科動物來到地球之前，類人猿、猴類和原猴類仍是僅有的三種靈長類主要類群。包括我們人類在內的人科動物出現後，陸續演化出很多種，如非洲南猿，能人，直立人等，但進入距今20多萬年內，除了壹個種——智人（Homo sapiens），也就是我們自己之外，其他的人科動物都滅絕了。這就是人類的演化簡史。
樹華古人類館於1999年建成開館，通過展出國內外古人類化石和舊石器標本及模型，系統普及了人類起源與進化的科學知識，昭示了人與自然***存***榮的科普主題。內容包括舉世矚目的北京猿人頭蓋骨以及國外贈送的各種珍貴的古人類化石標本模型。
東廳特展展廳
東廳是古動物館新開辟的特展展廳，展出的是——“與龍同行”恐龍特展。如果妳想了解我國的恐龍產地主要在哪？最大的恐龍是誰？以及最後滅絕的恐龍、中國最早被命名的恐龍、中國最早被裝架的恐龍等，在這裏妳會找到答案。
古動物館將根據最新科研成果和廣大觀眾需求，不定期在東廳推出特別展覽或舉辦各種生動有趣的科普活動。