博物館の施設は、国内の公立博物館では最大級の規模で、展示等が配置されている「本館」、「研究・収蔵庫棟」、「ジーンバンク施設」、「恐竜ラボ」、「エントランスホール」、「ホロンピアホール」、新収蔵庫棟「コレクショナリウム」から構成されています。９つのセクションからなる常設展示のほか、期間限定の企画展示や市民団体による展示会等を開催しています。このほか、化石クリーニングの様子がみれる「恐竜ラボ」やさまざまなワークショップが行われる「ひとはくサロン」、建物と隣接した広大な芝生広場のある「深田公園」があります。