В 2008 году, когда музей открыл свои двери, в его залах разместили коллекции из фондов Геологического музея имени А. А. Штукенберга Казанского федерального университета. Со временем экспозиция была дополнена находками из различных экспедиций.

Сегодня постоянная выставка занимает 12 залов на двух этажах музея. Здесь можно приоткрыть завесу тайн Вселенной и ее истории, а также узнать о минеральных ресурсах Республики Татарстан. В Музее естественной истории Татарстана представлена коллекция минералов, есть образцы метеоритов, а также модель грязевого вулкана в действии. Посетители могут увидеть коллекцию первых живых организмов на Земле, древних морских беспозвоночных. Выставлены панцири вымерших трилобитов и раковины аммонитов, окаменевшие стволы деревьев и отпечатки листьев. Представление о древнем мире дополняют скелеты шерстистого носорога, динозавров, пещерного медведя и других животных.

Музей предлагает интерактивные развлечения и игровые экспонаты, которые помогают легче усваивать информацию. Можно воспользоваться прибором с космическими весами, чтобы узнать свой вес на разных планетах, понаблюдать через телескоп за планетами и созвездиями, принять участие в палеонтологических раскопках, покормить древних рыб в доисторическом аквариуме, прогуляться с щекастым ящером, собрать пазлы с динозаврами и попробовать волшебный армрестлинг.

Также в музее проводятся научно-познавательные шоу, квесты, творческие мастер-классы. Посетителей приглашают в лаборатории и открытые комнаты, где можно изучить различные предметы под микроскопом.