자연사 전시실은 크게 지질관, 육상생태관으로 구분하여 제주도의 지질, 동·식물 표본 등 1,500여 점을 입체적으로 전시하고 있다.
지질관에는 제주의 형성과정을 애니메이션으로 나타내었으며 다양한 화산 분출물들, 용암동굴 생성물을 전시하고 있다. 또한 서귀포층 패류화석, 제주 구성 암석 및 백두산과 울릉도 구성암석을 선보이고 있다. 한라산의 형성과정 및 한라산 백록담 주변의 지질학적 경관을 영상과 모형으로 소개하고 있으며, 스마트테이블을 통해 다양한 제주의 오름, 계곡, 동굴 및 곶자왈 등의 자연경관과 지질을 설명하고 있다. 유네스코 3관왕 코너를 통해 세계적인 제주의 경관적 가치를 알리고 있다.
육상 생태관은 제주도의 식물 분포도를 통하여 고도별로 주요 식물을 검색할 수 있도록 하였으며, 디오라마 기법을 통하여 해안습지대, 상록수림대, 낙엽수림대, 침엽수림대, 관목림대(백록담 일대) 등 5개 영역으로 구분, 주요 동식물의 생태적 습성과 서식환경을 현장감있게 전시하였습니다. 그리고 버섯, 곤충(수서곤충), 생태계, 척추동물의 골격 등의 코너를 따로 마련하였다.