天津自然博物馆馆藏动、植物标本及古生物、古人类化石约38万件。其中有200件模式标本被列为国家一级标本保存。在古生物标本中，古脊椎动物是重点，该馆收藏动物群化石的完整和丰富在世界亦属罕见。它们是研究古脊椎动物的进化及分类的重要依据。

　　在植物标本中，低等植物的菌类标本比较丰富，还存有国内比较少见的国外苔类标本。高等植物中还存有一部分法国高等植物标本。在动物标本中，无脊椎动物和昆虫的模式标本较多。其中昆虫半翅目标本收藏得比较集中系统，软体动物和蜘蛛标本收藏也较为丰富。

　　动物陈列通过对动物的外部形态、内部结构、胚胎发育、生态等材料的比较分析，说明动物与环境相互影响的原因与根据，揭示动物从低等到高等，从简单到复杂的发展规律。古生物陈列主要以古脊椎动物化石标本为主，配合一定的科学辅助资料，阐明生物演化的历史过程。植物陈列以实物标本为主，同时配有照片、模型和生态布置，说明植物由简到繁，由水到陆，由低等到高等的发展演变过程，同时揭示植物与人类生存和发展的密切关系。古人类陈列以人类的产生和发展为主线，以各阶段原始人类的生产、生活为主要内容，用已掌握的原始人类遗存及有关资料来展示人类的产生和发展过程，说明自然界的一切（包括人类社会）是辩证地发展的。

　　该馆还经常举办不定期的小型展览到各区、县和各省市巡回展出。

　　该馆展出版有《动物陈列》、《古生物陈列》、《植物专题陈列》、《古人类陈列》。此外，该馆还和国内外有关科研单位合作编写出版多部论文、专著。