中国古动物馆是一座系统介绍脊椎动物起源和系统发育的博物馆。它是以古生物化石为载体，系统普及古生物学、古生态学、古人类学及进化论知识的自然科学类专题博物馆。馆内基本陈列由“恐龙世界(电子机械模拟)”、“古鱼类馆”、“古爬行动物馆”、“哺乳动物馆”等四部分组成，通过实物和其它展示手段，向观众系统地介绍了史前脊椎动物的起源及其进化历史，展示中国在各个时期沉积的海陆相地层中保存的古脊椎动物化石及在这一科学领域中的研究成果。古动物馆展出的珍贵展品中包括被称为“活化石”的拉蒂迈鱼标本，以及被编入小学课本的威严耸立的黄河象骨架等精品化石。较近馆内又增添了带毛恐龙、孔子鸟等鸟类化石以及世界首枚翼龙胚胎等在世界上引起轰动的珍贵展品。