В 2008 году, когда музей был открыт, здесь были размещены коллекции из собраний Геологического музея имени А. А. Штукенберга федерального университета Казани. В дальнейшем экспозиция пополнилась предметами, найденными в ходе различных экспедиций.
Сейчас постоянная выставка занимает 12 залов на 2 этажах музея. Здесь можно раскрыть некоторые тайны Вселенной и ее истории, а также узнать о минерально-сырьевых ресурсах Республики Татарстан. В Музее естественной истории Татарстана представлена коллекция минералов, имеются экземпляры метеоритов, посетители могут наблюдать модель грязевого вулкана в действии. Интересно будет посмотреть на коллекцию первых живых организмов на Земле — древних беспозвоночных морских ископаемых. Экспонируются панцири вымерших морских трилобитов и раковины аммонитов, окаменевшие стволы, отпечатки листьев. Получить представление о древнем мире помогают также выставленные в музее скелеты шерстистого носорога, динозавров, пещерного медведя и других обитателей.
Предлагаются интерактивные развлечения и игровые экспонаты, призванные облегчить восприятие информации, использование прибора с космическими весами, чтобы вычислить, сколько вы бы весили на разных планетах. Наблюдение через телескоп за планетами и созвездиями. Участие в палеонтологических раскопках. Кормление рыб древних видов в доисторическом аквариуме. Прогулка со щекастым ящером. Сбор пазлов с динозаврами. Волшебный армрестлинг.
Общение с обитателями ледникового периода.
В музее также проходят научно-познавательные шоу, квесты, творческие мастер-классы, посетителей приглашают в лаборатории и открытые комнаты, где можно рассмотреть различные предметы под микроскопом.
