本館以科技整合、生活化、藝術化及以人為中心之主題展示,分四期建設完成。各期設施及展示主題分別為「第一期:太空劇場、科學中心,第二期:生命科學廳,第三期:人類文化廳,第四期:地球環境廳」。
科學中心在於鼓勵觀眾動手操作並主動參與,引發探討的興趣。藉由科學性、挑戰性、娛樂性及探索性之展示及活動,發揮博物館的教育功能。1F的太空劇場於1986年開幕,擁有台灣第一座完全沉浸包覆的IMAX大型圓頂劇場,以及GOTO公司的光學星象儀投射的近乎真實星空,帶給台灣民眾迥異於以往的全新科學學習體驗。
生命科學廳以大自然的奧祕為總主題,利用13個展示區分別呈現大自然的現象及演化的動態。從生命的起源,栩栩如生地介紹各種生命型態的崛起、演化與適應及探討人類的生、老、病、死,有些生命在演化過程中甚至走向滅絕。