共设有五个主题展厅，包括：地球厅、矿物岩石厅、古生物厅、地质环境厅及资源利用厅。同时还设有临展厅、4D影院、科普区和社会教育区。五大展厅里都配备了多种互动设备，让参观者拥有更多的“可看可学可玩”的趣味体验。
地球厅，游客通过标本、模型、模拟翻书、互动体验、科学实验等方式，了解宇宙和恒星的起源与演化、地球的诞生、演变及运动、陆地与海洋的形成与变迁等自然科学知识。

矿物岩石厅，包含矿物岩石篇和宝玉石篇，其中有“矿物特性实验中心”互动体验区、“三大类岩石形成”立体展示、“生活中的矿物岩石”互动小屋、360°全息投影演示“宝石奇异效应”、“慧眼识真假”宝石鉴别互动等项目，通过多种实验性、参与性的展项激发兴趣，传达矿物岩石科学的内涵。
古生物厅，以“展现进化历程，传播进化理念”为主题，在大时间线索下，营造一个个不同的叙事空间，突出生命的海陆空辐射演化，展现生命激流的波澜壮阔，让参观者感受生物界与环境协同演化。

资源利用厅，展示自然资源，唤起人们对“人与地球资源”的关注和思考。
地质环境厅，主要突出张家口地质特征和环境特点，包括地理地貌、地质环境、地址遗迹以及在张家口常见的地质灾害，从而树立正确的环保意识以及灾害自救意识。
临展厅，承接各种公益性、科学性和知识性的临时展览。
