天津自然博物馆新馆位于天津文化中心、原天津博物馆内，占地面积为5万平方米，总建筑面积为3.5万平方米，展示面积1.4万平方米，包括常设陈列区、临展区、体验娱乐区、科普教育区四部分。核心建筑层数共有3层，总高度16.9m。
在展馆的设计中，其“圆”为中心展厅，其“方”由9个基本展厅组成。展馆的外形设计同样以“方”与“圆”为构图母题，中心展厅采用乳白色金属壳体与玻璃半球体的吻接造型，构成“海贝含珠”的建筑外观。玻璃球厅下部的台基采用30m长，3m高的花岗岩浮雕墙，与晶亮的玻璃半球体形成主题鲜明的虚实对比，将造型与中心展厅的功能有机地结合于一体，具有强烈的雕塑感与标志性。
北疆博物院由当时著名的比商义品公司建筑师比奈设计、监造，为钢筋混凝土结构，设计了防盗门和双重窗户。由三部分组成，即北楼，陈列室和南楼，南楼、北楼两座建筑以连廊相接，整体建筑呈 “工”字型布局，建筑面积达到4000平方米，展厅面积为2500平方米。
一层家园·探索展区设有共享大厅、4D影视厅、自博商店、恐龙主题餐厅、科普剧场、科普教室、科普展演区、恐龙谷，满足各年龄层次观众需求。一楼大厅龙台上集中展示了多具恐龙骨架，其中既有像井研马门溪龙、合川马门溪龙和荣县峨嵋龙这样恐龙界的“巨人”，也有苏氏巧龙这种蜥脚类中的“侏儒”。作为它们死敌的兽脚类恐龙，霸王龙和将军庙单脊龙的骨架被摆在了龙台的正中。此外，龙台的左侧还设有霸王龙和三角龙对峙的可动模型场景，再现了这两种著名恐龙间殊死搏斗的场面。
二层《家园·生命》展区，展示面积5700㎡，由“远古家园”和“现代家园”组成，将主题性展示与生物演化线索相结合，展出古生物化石、岩矿及现生动植物标本近万件，讲述地球38亿年来生命的发生、发展过程。
三层《家园·生态》展区，展示面积3400m2，以美国著名慈善家、天津市荣誉市民肯尼斯·尤金·贝林先生历年捐赠的200多件珍稀世界野生动物标本为基础，与馆藏珍稀野生动物标本，如大熊猫、金丝猴等，共同呈现出世界各大洲的典型动物群。
一层展厅是北疆博物院陈列室，是由法国永和营造公司设计建造，展示内容包括地质学、古生物学、史前学和人种学。二层展出的是现生动、植物标本。 三层展厅以北疆皮张标本和浸制标本为主要展示内容，其中近百年的鸟类标本、近2000件两栖爬行、1600尾鱼类及兽类、无脊椎动物标本； 除此之外，还展示了一些文物史料，如：老式的地图柜、采集用的藤条筐等；另外，还有北疆博物院留存下来的，来自四位西洋画家的作品14幅《平定准噶尔回部得胜图》铜版画。南楼展览包括图书室复原陈列、古生物库房复原陈列、北疆科学考察历程展（第一展室）、北疆科学考察历程展（第二展室）、昆虫实验室、动物实验室等陈列。
天津自然博物馆现有友谊路文化中心主馆区与北疆博物院旧址区两处馆区，馆藏生物标本36万余件，其中馆藏一、二级珍品 1299 件。
北疆博物院藏品包括动物、植物、古生物、古人类、岩石矿物标本以及历史民俗文物20余万件，奠定了天津自然博物馆馆藏基础，在上世纪三十年代享誉世界。其出版著作、刊物已列入世界自然科学文献宝库，在国际上享有极高的声誉。重新开放后的北疆博物院共展出各类生物标本及人文藏品近2万件。其中披毛犀、野驴骨架及河套人牙等珍稀标本和桑志华留下的珍贵历史照片；手稿、手绘地图、实物、科研著作等均在此次展出之列。
公交线路：662、668、686、835、868、912、529、641、675、800、826、838、906、655，至宾馆南道站或天津博物馆站。
九龙路：鸿华里站：619、826、803、953、678、4
绍兴道：恩德公寓站：954、826、
马场道：外国语大学站：13、902、904、685、871、906
