是中国科学院古脊椎动物与古人类研究所创建的国内唯一以动物化石为载体系统普及地学、古生物学和进化知识的博物馆。中心部分“化石展厅”展出化石精品600余件，都是从五十多年来我国从事古脊椎动物学与古人类学的四代科学家采集的20余万件标本中精选出来的。
中国古动物馆的展厅分为三层：第一层为古鱼类和古两栖动物，第二层为古爬行动物和古鸟类，第三层为古哺乳动物。在一、二层相通的天井中安置着若干具恐龙骨骼的化石，使整个展厅显得内容丰富而不拥挤。中国古动物馆是目前亚洲最大的古动物博物馆，在全世界也是比较大的古动物博物馆之一。