天津自然博物館館藏動、植物標(biāo)本及古生物、古人類化石約38萬件。其中有200件模式標(biāo)本被列為國家一級標(biāo)本保存。在古生物標(biāo)本中，古脊椎動物是重點，該館收藏動物群化石的完整和豐富在世界亦屬罕見。它們是研究古脊椎動物的進(jìn)化及分類的重要依據(jù)。

　　在植物標(biāo)本中，低等植物的菌類標(biāo)本比較豐富，還存有國內(nèi)比較少見的國外苔類標(biāo)本。高等植物中還存有一部分法國高等植物標(biāo)本。在動物標(biāo)本中，無脊椎動物和昆蟲的模式標(biāo)本較多。其中昆蟲半翅目標(biāo)本收藏得比較集中系統(tǒng)，軟體動物和蜘蛛標(biāo)本收藏也較為豐富。

　　動物陳列通過對動物的外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、胚胎發(fā)育、生態(tài)等材料的比較分析，說明動物與環(huán)境相互影響的原因與根據(jù)，揭示動物從低等到高等，從簡單到復(fù)雜的發(fā)展規(guī)律。古生物陳列主要以古脊椎動物化石標(biāo)本為主，配合一定的科學(xué)輔助資料，闡明生物演化的歷史過程。植物陳列以實物標(biāo)本為主，同時配有照片、模型和生態(tài)布置，說明植物由簡到繁，由水到陸，由低等到高等的發(fā)展演變過程，同時揭示植物與人類生存和發(fā)展的密切關(guān)系。古人類陳列以人類的產(chǎn)生和發(fā)展為主線，以各階段原始人類的生產(chǎn)、生活為主要內(nèi)容，用已掌握的原始人類遺存及有關(guān)資料來展示人類的產(chǎn)生和發(fā)展過程，說明自然界的一切（包括人類社會）是辯證地發(fā)展的。

　　該館還經(jīng)常舉辦不定期的小型展覽到各區(qū)、縣和各省市巡回展出。

　　該館展出版有《動物陳列》、《古生物陳列》、《植物專題陳列》、《古人類陳列》。此外，該館還和國內(nèi)外有關(guān)科研單位合作編寫出版多部論文、專著。