Das Museum am Löwentor präsentiert weltweit berühmte Fossilienfunde aus Südwestdeutschland, beispielsweise aus den Erdzeitaltern der Trias und des Juras. Darunter befinden sich die ältesten Dinosaurierfunde Europas, die ältesten Schildkröten der Welt und einzigartig erhaltene Meeressaurier vom Vorland der Schwäbischen Alb. In detailgetreuen Landschaften tummeln sich lebensecht und nach wissenschaftlichen Erkenntnissen rekonstruierte Sauriermodelle. Spektakuläre Skelettmontagen und Modelle von riesigen Säugetieren aus der Zeit des Tertiärs und aus dem Pleistozän, wie z. B. Mammut und Steppenelefant, sind weitere sehenswerte Highlights. Regelmäßig finden Sonderausstellungen zu unterschiedlichsten Themen statt.
Im zweiten Ausstellungsgebäude, im Schloss Rosenstein, wird der Besucher durch die Lebensräume der heutigen Pflanzen und Tiere in den verschiedenen Landschaftszonen der Erde geführt. Im Meeressaal sind das komplette Skelett eines riesigen Pottwals sowie lebensechte Modelle von Delfinen, einem Walhai, einem Weißen Hai und – weltweit einmalig – einem 13 Meter langen Seiwal zu sehen. Auch die heimische Natur vom Schmetterling bis zum Rothirsch kommt nicht zu kurz. Die ganze Vielfalt des Lebens spiegelt sich im Schloss Rosenstein wider.