中国地质博物馆主馆共有大楼6层，总高约36米，东西长40米，南北长70米，建筑面积近11000平方米，建筑风格稳重大方。
中国地质博物馆展厅包括地球厅、矿物岩石厅、宝石玉厅、史前生物厅等六个部分，面积共2500平方米，另有临时展览面积1500平方米。 地球厅以动力为主线，介绍了在内外动力的作用下，地球上发生的重要地质作用。东展线介绍内动力地质作用，以板块运动、褶皱断裂、火山、地震等地质作用为重点，西展线以外动力地质作用为主，主要介绍了水和风的地质作用。
相对来说，内动力地质作用更加宏观壮丽，它们主要是使地壳上升、增厚，形成许多巨大雄传的高山峻岭，而外动力地质作用则比较和缓，好像一把刻刀，雕刻出各种壮美的山川地貌。 宝石厅展示宝石、玉石、有机宝石、贵金属等材料及其成品，并融入宝石鉴定、宝石鉴赏、宝石琢型、宝石评价、宝石成因、宝石微观世界、宝石分布、宝石开采、宝石加工、首饰镶嵌、人工改善宝石与人工宝石及其制造方法以及宝石文化等知识点和兴趣点。
宝石厅以单晶宝石和玉石为主，并以天然宝石与人工宝石对比展示，以便鉴别市场上常见的相似的宝石。
中心部位：以一件十分大气、通灵、高档的展具作为展心，所展示的展品随每期主题的变换进行不定期的调换。 矿物岩石厅采用雅俗共存、动静结合、虚实呼应、寓教于乐的设计方式，使观众通过参与、欣赏展厅的展品，可了解自然界中矿物岩石的成因，原始产出情况、自然界种类繁多千资百态的矿物岩石、代表性矿物岩石的感官特征及可供人们使用的特性。
观众在欣赏各种精美奇特的矿物岩石展品时，通过交互式展览和虚拟展出部分，可参与对一些矿物岩石展品的探索性操作，获得相关知识。 史前生物厅，以生物进化过程中发生的重大事件为线索，向观众介绍生物的发展厅程和各地质时期常见的化石，展示地球上生物的发生、进化和灭亡的过程。
从空间布局上，整个展厅可以分为两大部分。第一部分是小序厅，包括了一面艺术化的化石精品墙、一个可以互动操作的多媒体展具——简明生物分类查询系统，及一些有关化石的基本常识介绍。
第二部分是该展厅的主要陈列内容，共分为八个单元。
第一单元——最早期的生命；
第二单元——生物大爆发；
第三单元——海生无脊椎动物时代； 第四单元——脊椎动物的出现；
第五单元——生物登陆；
第六单元——生物大绝灭；
第七单元——恐龙与鸟类；
第八单元——哺乳动物与人类；
此外，在该展厅的南过道，还陈列了鱼龙、中国安琪龙、翼龙化石的模型各一件，以及一件观众可以触摸的长达5米的大型鱼龙化石、一个演示化石是如何形成的多媒体展具。 中国地质博物馆在开展藏品科学研究的同时，长期从事地层古生物学、矿物岩石学、宝石学和博物馆学的研究并取得累累硕果，特别是在早期脊椎动物学、昆虫学以及辽西热河生物群等研究领域所取得成果；以系统精美的宝石陈列，独到的宝石研究成果，持续的社会推广活动，带动和引导了当代中国宝石科学研究、知识普及和市场消费。
中国地质博物馆常年开放独具特色的陈列展览。按照地球圈层结构布局的基本陈列，不仅展示了数以万计的矿物、岩石、宝石、化石精品，陈列内容更加关注人类的生存环境和生存质量；而且大量采用数字化、仿生、虚拟现实等技术，让观众通过亲眼目睹、亲手操作和亲身体验去认识地学空间。
