Экспозиция музея повествует об истории формирования природных зон Урала, палеонтологии, геологии, зоологии, ботанике, экологии уральского региона.
Возраст самых древних образцов минералов и горных пород периода формирования Уральских гор, представленных в экспозиции — около двух миллиардов лет. Большое впечатление производят скелеты вымерших исполинских животных ледникового периода — мамонта и широкорогого оленя.
В экспозиции размещено десять диорам, демонстрирующих сцены из естественной жизни животных, уголки дикой природы, современную экосистему города. В залах музея представлены чучела животных, палеонтологические, орнитологические, энтомологические, ботанические и пр. коллекции. Особой гордостью геологической коллекции является глыба малахита — самая большая сохранившаяся в первозданном виде уральская находка этого минерала.
В Кабинете редкостей музея выставлено чучело самого старого в мире крокодила — долгожителя екатеринбургского зоопарка легендарного Коли.
