Über 35 Mio. Ausstellungsstücke und Artefakte aus Naturwissenschaft, Geowissenschaft und Geschichte sind in der Sammlung des drittgrößten Museums der USA zu bewundern. Zu den Stärken des Museums zählt die Dinosaurierausstellung. In der Eingangshalle auf der Hauptebene stehen die Skelette eines Tyrannosaurus und eines Triceratops in kampfbereiter Pose. Außerdem sieht man hier den seltensten Hai der Welt, der als Erster der Öffentlichkeit präsentiert wurde, ein 4,4 m langes Männchen. In den Halls of African and North American Mammals sind gut erhaltene, lebensechte Säugetiere in natürlicher Umgebung ausgestellt. Die Hall of Gems and Mineral (Edelsteine und Mineralien) umfasst über 2.000 Exemplare. Im Discovery Center gibt es Fossilien und Knochen sowie lebende Fische, Reptilien und andere Tiere zum Anfassen. Im Insect Zoo kann man Skorpione, Taranteln und Tausendfüßler beobachten. in der Hall of Birds (Vogelhalle) gibt es zahlreiche interaktive und animierte Ausstellungen. Hier kann man durch eine kanadische Sumpfsteppe, einen tropischen Regenwald und das kalifornische Reich des Kondors spazieren. In der Ausstellung über kalifornische Geschichte im Untergeschoss wird die Zeit von 1540 bis 1940 mit nachgebauten Gebäuden, lebensechten Figuren, historischen Gegenständen und Fahrzeugen nachgezeichnet.