國立自然科學博物館以科際整合、生活化、藝術化及以人為中心之主題展示，分四期建設完成。各期設施及展示主題分別為第一期：太空劇場、科學中心，第二期：生命科學廳，第三期：人類文化廳（原中國科學廳），第四期：地球環境廳。

 

科學中心與太空劇場，連同行政中心、戶外庭園，總經費達四億六千餘萬元，於民國75年元旦對外開放。生命科學廳展示委由英籍設計師葛登納（James Gardner）設計，英國Beck and Politzer公司製作，總經費十一億三千萬元；民國77年8月對外開放。 人類文化廳的6個展示單元，地球環境廳有微觀世界、芸芸眾生、鳥瞰劇場、立體劇場及環境劇場等設施，委託美、日、英等國著名而具專業績效之設計公司進行展示設計。經費三十三億元，於民國82年同時落成。

 

全館佔地87,276平方公尺開放後，每年參觀人數近三百萬人。臺中市政府為促進地方繁榮，提升城市景觀，並借重本館之專業能力及教育理念，進而將五十四號公園預定地面積44,856平方公尺，委交本館規劃建設為植物園，於民國88年7月23日開放啟用。