博物館占地7萬多平方公尺，主展館建築面積為6,600平方公尺，陳列展示面積為4,600平方公尺。館藏化石標本幾乎囊括了距今2.01億~1.45億年前侏羅紀時期所有已知恐龍種類，是目前世界上收藏和展示侏羅紀恐龍化石最多的地方。博物館分為遊客中心、主展館和地質遺跡館三大部分。走進主展館，迎面是一道石砌屏風，沿著地面上的恐龍足跡往前走，就步入了「恐龍世界」展廳。

800平方公尺的大廳內，陳列著20多具大小不一、種類不同、形態各異的恐龍骨架。這些恐龍骨架全部出土於自貢，採用開放的場景式陳列和有故事情節的擬人化組合方式，講述著恐龍時代的一個個有趣故事。

穿過恐龍世界，進入博物館的核心─化石遺址廳。1,350平方公尺的化石埋藏現場，數千塊恐龍骨骼鑲嵌在灰綠色的砂岩中，交錯橫陳、重疊堆積，景象非常壯觀。這裡既可以憑欄遠眺，感受恐龍公墓的氣勢，也可走下扶梯，站在觀景平台和木棧道上，近距離觀賞那一塊塊冰冷的骨骼。　　

博物館二樓是恐龍時代的動植物廳。緊鄰動植物廳的珍品廳，集中展示了博物館收藏的眾多世界級、國家級的珍貴藏品，有非常完整的和平永川龍頭骨、太白華陽龍頭骨、李氏蜀龍頭骨，難得一見的馬門溪龍皮膚（印痕）化石和劍龍皮膚（印痕）化石，還有自貢地區獨有的蜥腳類恐龍尾錘化石等。　

毗鄰博物館的自貢方特恐龍王國，突出自貢恐龍文化，結合文化科技創新技術，尤其是虛擬現實（VR）和增強虛擬現實（AR）技術，通過以恐龍故事演繹、恐龍時代復原、恐龍世界歷險為主要展現內容，打造一個具有鮮明自貢恐龍文化特色和國際一流水準的恐龍王國。