목포자연사박물관에는 세계 2점만이 발굴 복원된 공룡 화석 프레노케랍토스와 콘코랩터, 희귀한 해양파충류 등 오랜 지구 역사를 추측해 볼 수 있는 다양한 원본 화석들을 비롯한 표본 2만여 점이 전시되어 있다.
지구온난화로 대변되는 생태계 교란과 환경파괴 등 인간과 환경에 대한 관심이 가중된 시대 흐름에 맞추어 현대적 전시 시설로 꾸며져 있다.
지구 46억 년 자연의 역사를 인증하는 공룡 화석, 광물, 곤충식물, 조류, 포유류, 어류, 해양생물 등 세계적 희귀자료와 서남권의 역사와 문화를 대표할 수 있는 자료를 수집 전시하여 국제적 박물관으로 발전하고 있다.
특히, 2012년 6월 27일 천연기념물 제535호 국가지정문화재로 등록된 "육식공룡알둥지화석"원본을 전시하고 있다. 본 화석은 2009년 목포와 신안군 압해도를 연결하는 압해대교 건설 현장 주변 지표 지질 조사 과정에서 발굴된 화석으로 세계적으로 그 산출지가 희귀하며 국내 최초 육식공룡알둥지화석이다.
문예역사관에는 살아있는 미술관 운림산방 4대의 작품실과, 수석전시실 등 다양한 지역 문화와 역사를 살펴볼 수 있고, 전남지역의 도자기 산업부터 첨단세라믹 산업분야의 발전사를 체험하고 느낄 수 있는 생활도자박물관과 2013년2월5일 우리나라 최초로 개관한 어린이바다과학관도 함께 운영하고 있다.