Während im Erdgeschoss wechselnde naturkundliche und urgeschichtliche Ausstellungen gezeigt werden, kann man in einem Rundgang im Obergeschoss und im 40 m hohen Museumsturm die ständigen Ausstellungen besuchen.
Im Treppenhaus des Obergeschosses fallen gleich zwei Dioramen auf, die die Landschaft der Mittleren Elbe zu unterschiedlichen Zeiten des Pleistozäns darstellen. Man erkennt, dass auch ohne Zutun des Menschen die Landschaft sich ständig verändert. In einem Rundgang werden folgende Themen vermittelt:
An diesem Punkt beginnt der Rundgang durch die ständigen Ausstellungen. Der erste Raum ist Standort der geologischen Ausstellung „Schätze aus dem Untergrund". Anhand von Bohrkernen werden urzeitliche Landschaften rekonstruiert. Der Besucher kann einen nachempfundenen
Steinkohlewald betrachten oder sich einen Eindruck von dem Lebensraum des Zechsteinmeeres machen. Das Pleistozän ist besonders berücksichtigt worden. Rekonstruktionen von Mammut, Wollnashorn und Höhlenbär vermitteln einen Eindruck der Großsäugetierfauna dieser Zeit. Auch
steinzeitliche Werkzeuge und Kleinplastiken sind ausgestellt. Die Rekonstruktion eines Rentierjägerzeltes gibt einen Einblick in das menschliche Leben am Ende der letzten Kaltzeit.
In einem weiteren Raum wird die geschichtliche Entwicklung des Dessauer Landes zwischen Germanenzeit und Mittelalter ausgestellt. Archäologische Sachzeugen aus dieser Zeit vermitteln Kultur und Landnutzung vom Anfang der Zeitrechnung bis zur ersten urkundlichen Erwähnung der Stadt Dessau (13. Jahrhundert).
Eine sich anschließende Mineralienausstellung vermittelt Schönheit, Farben- und Formenvielfalt der unbelebten Natur.
In der Turmausstellung entdeckt der Besucher während des Turmaufstiegs Spuren vergangenen Lebens. In sechs Etagen werden ausgewählte Zeitalter der Erdgeschichte von der Erdurzeit bis zum Pleistozän anhand von Fossilien erläutert.
Am Ende des Rundgangs steht die Ausstellung: „Faszination Natur - von Anemone bis Zwergrohrdommel". In Großdioramen werden nachempfundene Landschaften der Flussaue des Biosphärenreservates „Flusslandschaft Mittlere Elbe"gezeigt. Eine Auswahl der Artenvielfalt zeigt dem Besucher die Einmaligkeit der größten zusammenhängenden Auwälder Europas. Ein bewegliches Modell einer Stechmücke demonstriert die Nahrungsaufnahme dieser auenbewohnenden Insekten.
