A gyűjtemény ékköve az 1908-ban az alsó-ausztriai Wachau régióban megtalált, 29.500 éves, és csak tizenegy centiméter magas Willendorfi Vénusz. Az őskőkorszaki szobrászatnak eme műremeke a világ leghíresebb régészeti leletei közé tartozik, és rangjához illően az úgynevezett Venuskabinettben van kiállítva, a 36.000 éves, Stratzing mellett felfedezett ("Fanny") szobrocskával együtt. Közvetlenül mellettük található a 2015-ben újonnan megnyitott állandó őstörténeti gyűjtemény (prähistorische Schausammlung), valamint az arany gyűjtemény (Goldkabinett), amelyben öt évezred tárgyai vannak kiállítva.

A kb. 8,5 m átmérőjű belső kupolával, és a legmodernebb fulldome technikával felszerelt digitális planetáriumban naponta többször tartanak élő bemutatót az asztronómia, a biológia, az őstörténet és a mélytenger különböző témáihoz.

A dinoszauruszok termében (Sauriersaal) e hatalmas ősállatok csontvázai és maradványai mellett egy élethűnek ható, mozgó, és félelmetesen ordító alloszaurusz is várja látogatóit. A modellt a Természettörténeti Múzeum számára a legújabb tudományos felismerések alapján építették meg. A nagyhatású állandó kiállítást a terrormadár világszinten első élethű, eredeti méretű modellje, valamint egy lenyűgöző szarvarcú dinoszaurusz koponyájának leletei egészítik ki.

Ugyancsak megtekintésre érdemes a világ legnagyobb és legrégebbi meteorit gyűjteménye a meteoritok termében (Meteoritensaal). 1.100 „égből pottyant” követ tekinthetünk meg itt. Szimulátor segítségével a képernyőn 3D-ben megjelentethetünk egy hatalmas meteorit-becsapódást is.

És amikor idegenvezető kíséretében a Természettörténeti Múzeum tetejére érünk, párját ritkító kilátás nyílik Bécs óvárosára és a Ringstraßéra (az idegenvezetések időpontját lásd a weboldalon).