自然博物馆在原北疆博物院基础上建立，是我国历史最长、藏品最丰富的地矿、生物学科的自然博物馆。博物馆里最有特色的藏品是各个时代的标本，共有38万件之多，涉及动物、植物、古生物、古人类、地质等多种学科，居全国同类博物馆之首。
博物馆主体建筑“海贝含珠”造型，寓意天津是渤海之滨的一颗明珠。馆中重点收藏中国西北、华北地区，同时收藏全国具有代表性、典型性及世界范围内的自然科学标本。陈列展示以序厅、海洋世界、恐龙大观、古哺乳动物厅、动物生态厅、世界昆虫厅、海洋贝类厅、热带植物温室及电教厅集中表现物种的多样性、生态的多样性、人与自然环境的和谐。