Im Erdgeschoss des vierstöckigen Museums befinden sich ein Planetarium und ein IMAX-Kino. In der Paleontology Hall sind 450 Fossilien ausgestellt, geordnet nach Zeit und Ort. Neben der Welch Chemistry Hall steht das 19 m hohe Foucault'sche Pendel. Die Wiess Energy Hall beherbergt eine der weltweit umfassendsten Ausstellungen über Öl und Erdgas. Im Cockrell Butterfly Center, einer 2.300 qm großen Glaspyramide, leben 2.000 freifliegende Schmetterlinge. Die Brown Hall of Entomology präsentiert die Welt der Insekten. In der Cullen Hall of Gems and Minerals befindet sich eine Sammlung unbezahlbarer Edelsteine und Mineralien. Die John P. McGovern Hall of the Americas befasst sich mit einheimischen Kulturen von der Arktis bis zu den Anden, vor allem in den USA und Mexiko. In die Arnold Hall of Space Science ist das Challenger Learning Center integriert, in dem Schüler in einer Mission-Control-Simulation mit anderen in einem Flugsimulator sprechen können.