Die Dauerausstellung führt durch die heimischen Lebensräume mit ihren Pflanzen und Tieren. Fuchs, Steinmarder, und Stadttaube, drei typische Kulturfolger finden Sie im Lebensraum Stadt. Schmetterlinge geordnet nach ihren Raupenfrasspflanzen sind ein Thema des Lebensraumes Garten. Im Lebensraum Haus finden Sie übergrosse Hausstaubmilben. Vor einem grossen Wurzelstock stehen Reh, Dachs und Wildschwein im Lebensraum Wald. Im Lebensraum Weiher und Fliessgewässer sind Stockente, Blässhuhn und Haubentaucher ausgestellt. Auf den Geleisen zeigt das Naturmuseum Filme von Pflanzen die hier ihren Lebensraum finden.

Mit der Erfindung der Eisenbahn wurde die Landschaft massgeblich verändert. Durch einen Eisenbahnwagen kommen Sie in den nächsten Raum. Hier wird an verschiedenen Beispielen die Landschaftsentwicklung in verschiedenen Zeitepochen dargestellt. So schaut der letzte legal geschossene Uhu aus dem Tössstockgebiet von einer Mauer. Bestimmte Vogelarten gehören zu den Verlierern andere konnten sich anpassen und gehören zu den Gewinnern. Wolf, Bär und Bartgeier wurden durch die Landschaftsentwicklung stark  beeinflusst. Auch die Haustiere mit ihrer Vergangenheit werden dargestellt.

Über die Eiszeit, die Süsswassermolasse mit bekannten Winterthurer Fossilien und die Meeresmolasse geht die Reise weiter ins Untergeschoss. Vorher werden aber noch die Erdzeitalter begreifbar gemacht.

Fossilien von Fischsauriern und anderen Meeresbewohner aus dem Posidonienschiefer werden präsentiert.

Im Schiff Ida Ziegler werden in Kisten verpackt Objekte aus der ethnologischen Sammlung als Souvenirs gezeigt. Hier ist auch eine Mumie aus Ägypten zu sehen.

Gesteine und Mineralien faszinieren mit ihren Formen und Farben. Bausteine der Winterthurer Altstadt sind hier zu finden.

Neben verschiedenen Reliefs der Schweizer Alpen und des Juras finden auch Steinbock und Schneehuhn einen Platz bei den Alpentieren.

Die Ausstellung wurde 2005 neu eröffnet und wurde 2006 mit dem Prix Expo der Akademie der Naturwissenschaften ausgezeichnet. Im Jahr 2007 wurde die Ausstellung für den European Museum Of The Year Award nominiert.