首层展区以“家园·探索”为主题，营造一个放飞梦想、探索未知自然世界的整体氛围。飞翔的翼龙和鸟类悬挂高空，随光线变化演示出四季和晨昏的景观。而我们面前的这对山东龙母子则向我们诉说着地球历史的亿万斯年…山东龙是目前已知最大、最长的鸭嘴龙科恐龙之一。
在大厅左侧是活体蝴蝶园。蝴蝶，自然界最美丽的昆虫，千百年来一直与人们的生活有着千丝万缕的关系。为此，我们打造了我国第一座自然博物馆内的活体蝴蝶园。这里四季常青，彩蝶纷飞。您在这里、不仅观赏到色彩斑斓的活体蝴蝶，还可观察从毛虫到美丽蝴蝶的蜕变过程，真正体验“破茧成蝶”。
在大厅右侧是“儿童探索馆”和纪念衍生品商店、4D动感影院、健康茶室，总服务台的旁边是科普情景剧场。整体一楼功能区的设计，不仅是作为一个场景、一个空间而存在，更是作为青少年的“良师益友”而存在。这里将成为青少年生活中的“绿色伙伴”、成为孩子与家长对话、博物馆与城市对话的互动平台。这些富有创意的主题展示空间和附属功能空间的设计，传达天津自然博物馆新馆新的社会使命和文化体验功能。
二层-家园·生命展区
天津自然博物馆二层为家园·生命展区，展示面积为5700㎡，由“远古家园”和“现代家园”两大部分内容组成，采用古今结合的主题单元展示方式，展出古生物化石、岩矿及现生动植物标本近万件。依托新的地球观和最新科学研究成果，展示地球家园38亿年来生命世界由无机到有机、由单细胞到多细胞、由简单到复杂、由低等到高等的发生、发展，乃至到现在波澜壮阔、跌宕起伏的演化历程。
展览分为八大单元：
第一单元：生命诞生，地球不再荒寂
第二单元：神奇爆发，生物从此繁盛
第三单元：各显其能，争霸喧嚣海洋
第四单元: 从水到陆，开拓崭新家园
第五单元：多样演化，爬行鼎盛一代
第六单元：鸟儿飞天，天空的新主人
第七单元：兴衰更替，哺乳动物辐射
第八单元：人猿分野，智慧生物起源
三层-家园·生态展区
天津自然博物馆三楼为家园·生态展区。这是肯尼斯·贝林先生捐赠的世界野生动物展区,展示贝林先生历年为天津捐赠的近300件珍贵的世界野生动物标本。贝林先生有一个期待：就是“让没有机会到这些地方的孩子们通过参观我们的展览有身临其境的感觉”。所以，环球动物之旅展区在设计理念上突出生态系统，形式上以大景观、大手笔来体现，展示生态系统的多样性。传达一种保护生物，更重要的是保护栖息地，保护生态系统的理念。
展览分为长大部分：
1.澳洲：奇妙的大陆
2.南美：失落的世界
3.北美：野性新世界
4.南极：冰雪的童话
5.北极：消融的冰川
6.非洲：原野生与死
7.欧亚：生命交响曲