Negli ultimi anni gli spazi espositivi del Museo sono stati rimodernati e riorganizzati con la realizzazione di nuovi diorami e modelli ambientali, attraverso i quali i problemi della biologia animale sono "spiegati" con l'esposizione di esemplari significativi, pannelli e sussidi multimediali.
Le modalità di comunicazione delle esposizioni sono moderne, interattive e coinvolgenti. I reperti museali sono infatti esposti secondo progetti che hanno la finalità di facilitare l'interpretazione degli argomenti proposti. Anche i cartelli e le didascalie sono facili da interpretare, hanno stili lineari, accattivanti, coinvolgenti.
Molti esemplari, nelle nuove esposizioni, sono fuori dalle vetrine, alla portata del pubblico, per conoscerli meglio e provare l'emozione di toccarli. Strumenti interattivi e ricostruzioni ambientali rendono il Museo adatto a tutte le fasce di età e formazione culturale.
Il Museo annualmente rinnova parti delle esposizioni. Conserva tuttavia alcune sale storiche, rappresentative degli antichi musei di Storia Naturale.
Le esposizioni del Museo sono oggi organizzate secondo un percorso dedicato alla conoscenza della biodiversità animale, cioè della varietà degli animali e dei loro ambienti di vita. I vari temi trattati sono articolati in "Unità espositive", che hanno le caratteristiche di piccole mostre, connesse tra loro dal tema comune della diversità.
I temi delle esposizioni e le mostre principali
La riproduzione degli animali, lo sviluppo, la diversità genetica, gli adattamenti agli ambienti di vita ed alcuni ambienti particolarmente significativi per la vita animale sono alcuni dei temi illustrati oggi nelle varie sale del Museo.
Amori bestiali
 Questa esposizione introduce alle problematiche della riproduzione degli animali ed agli adattamenti che permettono il successo nella perpetuazione delle specie. Di particolare interesse, nella sala dedicata alle lotte per la conquista delle femmine, gli esemplari di uccelli "combattenti", appartenenti alla collezione Arrigoni degli Oddi.
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Vivere al limite
 Racconta gli adattamenti che permettono ad alcuni animali di sopravvivere in ambienti che offrono condizioni di vita molto difficili. La vita in un deserto caldo, nei ghiacci, nel buio delle caverne o negli abissi marini richiede caratteristiche speciali, che vengono illustrate su esemplari naturali e modelli collocati in diorami e ricostruzioni ambientali.
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Barriera corallina
  In un diorama che riproduce una porzione di scogliera corallina del Mar Rosso, si possono osservare centinaia di specie animali; si può riflettere sulle loro forme e modalità di vitalegate alle peculiari caratteristiche dell'ambiente marino e sulle relazioni che intercorrono tra tutti i viventi di questo particolare ecosistema.
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Le zone umide del Lazio
 Questa ricostruzione ambientale permette di conoscere alcune caratteristiche della biodiversità della regione. L'Italia, per la sua posizione al centro del Mediterraneo, per la sua storia geologica passata e per la diversità degli ambienti ha una grande varietà di specie animali. Per questo, è compresa nelle aree della Terra che maggiormente necessitano di protezione ambientale. Le zone con raccolte d’acqua ospitano una grande quantità di specie animali, particolarmente di uccelli stanziali e migratori. Il Lazio è stato in passato una delle regioni più ricche di aree umide, la maggior parte delle quali è ormai sparita. I pochi residui di questo paesaggio dovrebbero essere accuratamente conservati.
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La collezione Arrigoni degli Oddi
 Due sale ospitano la preziosa collezione di Uccelli di Ettore Arrigoni degli Oddi (in parte conservati negli antichi armadi visibili al pubblico). Queste sale offrono anche un contatto con il "vecchio Museo" di stile ottocentesco, ricco di vetrine contenenti molti animali, corredati dai cartellini di identificazione e provenienza. Tuttavia, una "lettura parallela" integra la visione delle vecchie vetrine, con un ritratto vivo e completo del Conte naturalista che in molti anni di studio ha raccolto questa collezione.
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Mammiferi
 Due sale sono dedicate ai Mammiferi. L'esposizione è organizzata secondo criteri di classificazione, ma pone l'attenzione su specie minacciate di estinzione e sulla loro protezione. Alcuni esemplari sono particolarmente notevoli: una lontra proveniente dal fiume Tevere, una lince delle Alpi occidentali e la foca monaca di Capo Teulada in Sardegna, testimonianze di una fauna italiana ormai scomparsa.
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Rettili e Anfibi
 Questa piccola sala ospita esemplari e reperti di grande interesse.
Nella vetrina degli Anfibi sono presenti due esemplari conservati in liquido di Salamandra gigante del Giappone (Andrias japonicus) - che è il più grande Anfibio attualmente vivente sulla Terra – e il calco del cranio di un gigantesco Anfibio Labirintodonte che visse nel lontano periodo Permiano (circa 280 milioni di anni fa).
Nella prima delle due vetrine dedicate ai Rettili sono visibili alcuni preparati tassidermizzati di Sauri, tra i quali spiccano l'Eloderma sospetto (Heloderma suspectum), la Lucertola ocellata (Timon lepidus) e il Varano fasciato (Varanus salvator).
Nella seconda vetrina dei Rettili spiccano invece i crani di due coccodrilli, cioè il falso gaviale (Tomistoma schlegelii) e il Coccodrillo del Nilo (Crocodylus niloticus), e il grande e spettacolare carapace della più grande tartaruga vivente, la tartaruga liuto (Dermochelys coriacea).
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Scheletri
  Il grande salone del Museo (inizio e fine del percorso) espone una preziosa collezione di scheletri di mammiferi, che danno un'idea delle differenziazioni e dei numerosi adattamenti di questi animali, il cui scheletro è adattato, a seconda dell'ambiente di vita, per il movimento in terra, in mare, in cielo, per la corsa veloce o per perfezionare la presa del cibo. Un imponente scheletro di elefante domina su tutti.
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Nella sala inferiore (la Sala della balena), dedicata alle mostre temporanee, vengono ospitate esposizioni che riguardano temi scientifici ed ambientali attuali, ma anche varie forme di espressione artistica.
