三亚自然博物馆是海南省唯一的自然博物馆，馆藏品包括被联合国科教文称为“20世纪最惊人的发现”——辽西热河古生物化石；贵州关岭、河南西峡、山东山旺动物群、宁夏同心生物群、内蒙、甘肃等全国各地珍贵的古生物化石以及海南当地独有的动植物标本，亦有被誉为“东方神木”价值连城的海南阴沉木、石中精品——五指山黄蜡石等共两千余件展品，门类齐全、标本珍贵、保存完好。其中国国宝级精品达800余件。更有部分藏品在国际上称得上是孤品，在国内外同行中堪称翘楚。世界上第一朵花——辽宁古果、镇馆之宝——模式标本三亚翼龙、鸟之始祖——圣贤孔子鸟、中华龙鸟等品相完美的珍贵展品都可以在博物馆看到。三亚自然博物馆先后被海南省科协、海南省科技局、共青团三亚市委、三亚市科协认定为“海南省科普教育基地”、“海南省自然科技馆”、“三亚市科普教育基地”、“三亚市青少年教育活动基地”，同时又得到国内知名学府首都师范大学和中山大学的认可，成为两所大学的科学实践基地。人说：博物馆是一个城市的眼睛。三亚自然博物馆的落成，填补了三亚文化旅游的空白，成为三亚文化旅游的一面旗帜。
馆内展现1.4亿年前的生命世界约有2000余件标本，其中国宝级精品达800余件，许多标本在国内、国际上都堪称孤品。
翼龙化石头部近眼睛处有巨大的空洞，以减轻头部重量，有利于飞行。化石共有5指，其中第四指的长度约为其它数指的20倍，长长的手指可作“翅膀”用，在飞行时用于平衡身体，但由于功能的不健全，三亚翼龙多数时间只能采取俯冲姿态。
据介绍，翼龙是最早飞上天空的脊椎动物，属于飞行爬行动物，它是中生代的空中霸王，生活于2.5亿年前，灭绝于6500万年前。而三亚自然博物馆收藏的翼龙属翼龙中的新属种，在国际上是首次发现，同时也是目前为止发现最完整的翼龙化石，其完整度和观赏性都堪称一流，在国际上属于孤品，因此是当之无愧的国宝。
博物馆收藏的“辽宁古果”，距今已有1.45亿年，它是世界上最早的被子植物化石，即是现在鲜花的“祖先”，也是迄今为止有确切证据的全球最早的花。由于它的出现，古生物学界创造出了“古果科”，解决了古生物学领域一直存在的被子植物起源时间、地域的争论；解决了达尔文所认为的“讨厌之谜”。
博物馆内珍藏的鱼龙发现于贵州关岭地区，据介绍，鱼龙最长可达15米，其中尾巴就占了全身的二分之一，生活于2.5亿年前，是凶猛的肉食型动物，当时的海中霸王。鱼龙的眼睛最大可达直径26.4厘米，比一只足球还要大，是已知地球上最大的眼睛。
目前在全世界有200多个地方曾经发现恐龙蛋，但很少在其中发现完整的恐龙胚胎。而保存在博物馆内的完整无损的恐龙胚胎是非常罕见的，它存有即将出壳的胚胎，让人类体会到几亿年前恐龙母亲的伟大。
虽然有着类似植物的命名，但海百合是地地道道的动物。5亿年前就已经在深海中出现的海百合，历经风雨，如今依然在深海中顽强地生存着，被誉为“活化石”。据介绍，海百合是一种棘皮动物，依靠其密密麻麻的触手，来抓取小生物生存。
