O MZUSP oferece aos visitantes uma exposição principal com enfoque no tema Biodiversidade, e que apresenta um acervo variado de vertebrados e invertebrados, incluindo exemplares de espécies raras do Brasil e de outras localidades do mundo.

O tempo é um aspecto importante para entendermos como um país com o Brasil abriga atualmente cerca de 20% de toda a biodiversidade do planeta. Por essa razão a paleontologia ganha um importante destaque na narrativa, e os fósseis (originais, réplicas e modelos) aparecem em vários momentos do roteiro. Uma das principais atrações do museu faz justamente parte do grupo dos arcossauros: a reconstrução em tamanho real do esqueleto de um Tapuiassauro (Tapuiasaurus macedoi), titanossauro brasileiro proveninente da cidade de Coração de Jesus (Minas Gerais), que ganhou destaque no cenário científico internacional por ter sido encontrado com o crânio mais bem preservado já visto até então para o seu grupo.

A exposição ainda abriga outros arcossauros, como pterossauros do gêreno Anhanguera, réplicas de fósseis do crocodiliforme Mariliasuchus amarali (ambas nacionais, sendo o último proveniente do Estado de São Paulo), do terópode argentino Carnotaurus sastrei e uma restauração em vida do famoso Velociraptor mongoliensis.

Outros destaques incluem os esqueletos de uma preguiça gigante e um tigre-dente-de-sabre montados em posição de combate, réplicas de crânios de imensos leões extintos e uma das únicas reproduções disponíveis na América do Sul do crânio do gigantesco Andrewsarchus mongoliensis – um extinto parente das baleias.

O museu oferece aos visitantes – especialmente grupos e escolas - a possibilidade de uma visita guiada (que necessita ser agendada previamente). Além disso, aos finais de semana, inclui programas especiais, como palestras sobre temas ligados à Zoologia, e oficinas interativas, desenvolvidas pela própria equipe do museu (pesquisadores, técnicos e educadores), em um espaço que reproduz os bastidores da instituição e suas grande coleções científicas. Neste local os visitantes descobrem como este imenso acervo é mantido e as técnicas utilizadas na conservação dos animais e das pesquisas realizadas pelo MZUSP.