Естественнонаучный музей входит в пятерку крупнейших геолого-минералогических музеев страны.
В шести демонстрационных залах с общей площадью 2050 метров представлены около 9 тыс. экспонатов. Знакомство с музеем начинается с посещения исторического зала. Здесь представлены материалы, посвященные истории изучения Ильмен, начиная со второй половины XVIII века.
В Ильменском зале представлены минералы и горные породы гранитных и щелочных пегматитов, систематическая коллекция ильменских минералов.
В биологическом зале посетители знакомятся с различными ландшафтными комплексами Южного Урала. Основную часть зала занимает диорама длиной 33 метра, в которой представлены типичные виды животного и растительного мира заповедника в разное время года.
Зал систематики содержит 1750 образцов, которые представляют 740 минеральных видов, расположенных в витринах согласно существующей кристаллохимической классификации. В зале минералогии месторождений - около 700 образцов из разных типов месторождений: пегматитовых, гидротермальных, осадочных и метаморфических. В этом же зале располагаются срезы пейзажной уральской яшмы, голубые топазы, фиолетовые аметисты, минералы Изумрудных копей Урала.