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。

人類文化廳以世界文化、中國的科學文明及大洋洲為總主題，涵括中國醫藥、中國的科學與技術、農業生態、古代人說故事、漢人的心靈生活、大洋洲及台灣南島語族等七個主題。可以見識到我們前人的智慧發明，也能體認到人類文化的變遷歷程。

地球環境廳包含鳥瞰劇場、環境劇場及立體劇場，以及微觀世界、芸芸眾生、臺灣自然生態及青藏高原遠距天文觀測展示等主題，以及涵蓋地動驚魄、足下寶藏、瀛海探奇、人與環境、物種保育等主題的劇場教室。

植物園以臺灣低海拔具有的特色生態和熱帶雨林為展示主題，細心挑選仔細檢視臺灣本土具有代表性的幾個生態區造景，並表現景觀的趣味及特色。

※請注意：入場太空劇場與立體劇場，需另外以一般票價購票。