古生物博物馆位于植物园北部回归林下,占地面积2000多平方米,在馆外的露天广场上,正是古老的化石森林区。该馆的规划设计方案由中国古生物学会秘书长、北京自然博物馆馆长等5位专家精心策划、反复论证而成。博物馆主体是两层楼建筑,为了与周围的自然景观融为一体,外观用水泥包裹营造假山造型,并在山体缝隙处巧妙地设置瀑布、溪流。在馆门口,一个白色仿恐龙骨架与整个博物馆相交接,线条流畅自然,既复古又不失现代感和艺术感。整个博物馆分为恐龙、爬行动物、鸟类、植物、昆虫等近10个展区,展出包括张和兽、孔子鸟等珍贵化石在内的藏品300多件。在一楼大厅正中,一块长15米,高3米的恐龙化石将让人一饱眼福。该馆应用运动声光感应电子技术和电脑技术充分复原远古时代的神奇景观。在植物展示区,你可以亲眼目睹在1亿多年前的侏罗纪时代,剧烈的地壳运动和火山岩,在瞬间把大片森林掩埋起来,二氧化硫渗透进被掩埋的林木,直至产生了具有原始时代森林形态的硅化木。整个博物馆内部都是仿原始地形地貌,蜻蜓、蜥蜴等化石散落在四周,恍如回到了远古时代。