Das Museum zeigt die Geologie Hamburgs und der Umgebung. Mammutknochen, ein 2 m breites Riesenelchgeweih, die Skelettversteinerungen von Sauriern und des Urvogels Archeopteryx sowie weltberühmte Fossilien gehören zu den Highlights der Ausstellung.

Im Museum wird über Wendepunkte in der Entwicklung des Lebens in den vergangenen 3,5 Mrd. Jahren informiert. Man erfährt etwas zu den ersten bekannten Mehrzeller aus der rätselhaften Ediacara-Fauna oder die Entwicklung der ersten Landpflanzen und die Evolution der Wirbeltiere.

Neben Fossilien aus der jüngsten Eiszeit werden Beispiele für eiszeitliche Geschiebe gezeigt: Uralte Sedimente, die durch die Gletscher nach Norddeutschland transportiert wurden. 

Zu den Funden aus berühmten norddeutschen Fossillagerstätten wie Helgoland oder Lägerdorf sind auch Stücke aus den deutschen Fundstellen Messel, Solnhofen und Enspel wie ein bekanntes Messeler Urpferd oder jurassische Flugsaurier, Krebse und Spinnentiere zu sehen.

Berühmt ist das Museum für seine Ammonitensammlung mit ausgestorbenen, schalentragenden Tintenfischen. Auch Stücke der bekannten Bernsteinsammlung des Museums sind sehenswert.

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