南京古生物博物馆由序厅及其他展厅、多功能区组成。展厅内容包括1个主题展、6个专题展、1个临时特展厅。

　　序厅包括门厅、恐龙天地、上山之路和化石奥秘展区，带你认识和走进南京古生物博物馆。

　　主题展“生命进化史”：包括前寒武纪、古生代、中生代及新生代展区，从古到新介绍地球演化及生命进化的故事。由序厅、恐龙世界、上山之路、生命与化石、早期生命、无脊椎动物大发展、生物登陆、两栖王国、生命悲歌—大灭绝、爬行盛世和新生代生命世界组成。

　　专题展：分别为无脊椎动物化石展、微观世界—微体化石、绿色征程—古植物世界、古生物学应用、世界级精品化石展。展览以大量的珍稀标本、精美图片、仿真模型和景观复原，并采用多媒体等现代技术手段，充分展示了化石的奥秘和古生物的多样性。