山形のなりたち
海底に眠る山形・海底から陸へなどの展示テーマを通して、山形のなりたちを説明しています。
入口正面には、ヤマガタダイカイギュウの全身骨格模型や化石産出状況がわかる産状模型などを展示しています。
森林の科学
山形県の自然林は、ブナ林を主とした落葉広葉樹林からなっています。日本海沿岸地帯や飛島では、常緑広葉樹林が発達しています。また、ミズナラ・コナラの二次林やスギの植林も見られます。食物連鎖の頂点に立つイヌワシと、月山・朝日連峰のブナ林をモデルにしたジオラマにより、植物とそこをすみかとする動物たちの関係を説明しています。
植物の世界
山形県で見られる多様な植物とキノコを、おし葉標本、樹木標本、模型などを使って展示しています。また、山形県で見られる植物の特徴的な分布について、その地史的要因を通して解説しています。さらに、植物の薬用と毒性についても取り上げています。
昆虫の世界
山形の自然を特徴づける昆虫の代表として、庄内中心に分布するギフチョウ、内陸のヒメギフチョウ、高山蝶のベニヒカゲ、南方系のアオスジアゲハ、県の天然記念物チョウセンアカシジミなどを取り上げました。自然林、人工林、水辺の昆虫についての昆虫相の違いや、県内産の昆虫としてチョウ約９０ 種、セミ１０種、バッタ４０種、カブトムシ、クワガタ類なども展示しています。
野鳥の世界
山形県内でみられる野鳥の生息環境と生活を草原の鳥、高山の鳥などにわけ、ミニジオラマやはく製により説明しています。また、渡り鳥は繁殖地と越冬地を移動するため、一地方に見られる鳥は留鳥、夏鳥、冬鳥、旅鳥、漂鳥、迷鳥などに分けられます。県内では３５０ 種ほどの野鳥が確認されています。研究展示として、庄内海岸と飯豊連峰の鳥類を取り上げました。
暖流と雪の山形
山形県は北部日本海側の多雪地帯ですが、日本海を北上する対馬海流（暖流）の影響を受けている庄内海岸や飛島には、暖地系の植物や動物が数多く見られます。一方、冬季の積雪や低温などの気候条件にあった植物や動物も分布しています。暖かい南の海にすむウミガメ類のオサガメ、冬眠のようすがわかる雪と生物のジオラマなどを展示しています。