Das Naturkundemuseum befindet sich auf ca. 1.500 m² im gesamten zweiten Stock des Museumsgebäudes Raubergasse. In Rundgängen um den großen und den kleinen Hof sind die Ausstellungsbereiche der Geo- und Biowissenschaften angeordnet. Jeder Raum ist einem speziellen Thema gewidmet, und die Gestaltung schafft individuelle Räume – dabei wird nicht inszeniert, vielmehr wird die Visualisierung der Objekte unterstützt. Zudem ist das Naturkundemuseum auf Interaktion ausgelegt und bietet in jedem Raum eine „Werkbank“ als Möglichkeit zum aktiven Einstieg in das jeweilige zentrale Thema an. Diese Stationen sind so konzipiert, dass sie jugendliche Besucher*innen ebenso neugierig machen wie Erwachsene. Auf diese Weise entstand ein interaktives Museum, in dem alle Interessierten Antworten auf Fragen finden, die ihren Lebensraum und damit sie selbst betreffen.

In den Themenräumen gewähren die Sammlungen der Botanik, Geologie, Mineralogie, Paläontologie und Zoologie sowohl nach Fachdisziplinen getrennt als auch gemeinsam Einblick in die geologischen und mineralogischen Schätze der Steiermark sowie in die schier unendliche Vielfalt des Lebens

Die Erdwissenschaften setzen mit einem 26 (!) Meter langen gemalten Panorama der Erdgeschichte einen monumentalen Akzent: Nach neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen vom steirischen Künstler Fritz Messner gemalt, visualisiert der Bilderzyklus in geraffter Form die Erdgeschichte von der Entstehung des Planeten bis zur Gegenwart. Die heutigen Landmassen der Steiermark lagen über Hunderte Millionen von Jahren unter Wasser: Deshalb gibt es im Naturkundemuseum neben dem Riesenhirsch und dem Höhlenbär auch große Fischsaurier und andere Meerestiere zu bestaunen.

Als absolutes Highlight des Joanneums und als unvergleichlicher Schatz des Naturkundemuseums gilt das 6 mal 6 Meter große Steiermark-Relief. Eine mediale Inszenierung verknüpft die einzigartige historische Technik des Reliefs mit modernsten Technologien. Diese zeitgemäße Interpretation stellt die Geschichte des Reliefs der aktuellsten Geodaten-Technik gegenüber: dem Geografischen Informationssystem (GIS), einem wissenschaftlichen und populären Werkzeug zur Beschäftigung mit dem Naturraum der Steiermark.

Die Biowissenschaften legen den Fokus ihrer Erzählung auf die Vielfalt des Lebens. Den Anfang macht die biologische Vielfalt vor unserer „Haustür“: Der aufgelassene Steinbruch Hauenstein, in unmittelbarer Nähe des Grazer Stadtbezirks Mariatrost, hat sich zu einem der reichhaltigsten Kleinräume der Steiermark entwickelt. Der Raum macht Lust, mit dem gesammelten Wissen hinauszugehen und das biologische Kleinod in natura zu studieren.

Ein weiterer Raum befasst sich mit Bewegungsformen von Tieren. Skelette und Fellpräparate sind nebeneinander in eingefrorener Bewegung zu sehen, Röntgenfilme zeigen den jeweiligen Bewegungsablauf. Eine umfangreiche Auswahl an Audio- und Farbbeispielen spiegelt die Vielfalt individueller Ausdrucksformen von Lebewesen wider und widmet sich deren Kommunikation. 

Da jeder Raum einem Thema gewidmet ist, können einzelne Räume mittelfristig mit aktuellen Inhalten ergänzt werden, ohne dass die gesamte Dauerausstellung im zweiten Obergeschoss im größeren Stil umgebaut werden muss.

Darüber hinaus werden im ersten Obergeschoss in einem ein- bis zweijährigen Rhythmus kleinere und größere Themenausstellungen mit hauseigenen Objekten zu sehen sein, in denen naturkundliche Fragestellungen behandelt werden, die einen hohen Gegenwartsbezug haben.