本次展览将展出超过700件标本，包括植物、昆虫、恐龙及其他动物标本，重点展品是雷克斯霸王龙、梁龙、长毛象等。现场还原古代生态系统，辅以多媒体互动展项，回顾过去逾37亿年地球生命的演化过程。
展览分为7个主题：所有的生命都有关联、生命的演化、生态系统的改变、地球进程、物种大灭绝、人类的联系、人类的时代与全球变化，探索人类活动对于塑造地球现在和未来的影响。
地球年龄约为45.5亿年，而人类历史只占地球历史的一小部分。展览借助地质年代概念「深时」（deep time）为主题，希望在距今数百万年乃至数十亿年的范围内探索各种复杂的地球历史事件，进而理解人类目前所处的地球环境，以及规划可持续发展的未来。
化石展厅自2014年起闭馆改造，计划于2019年6月8日重新开放。翻新后的化石展厅占地面积2880平方米，以捐赠人 david h. koch 命名，以此纪念他为国立自然历史博物馆提供3500万美元资助，这是该馆迄今收到的金额最大的单笔捐款。
部分展品
雷克斯霸王龙捕食三角龙
美洲剑齿虎
大角鹿（爱尔兰麋鹿）
多侧肋希若拉虫
棕榈叶
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