Природонаучният музей във Варна изучава и популяризира организмовия свят на Черно море и българското черноморско крайбрежие. В научно отношение експозицията е построена въз основа на еволюционния принцип и е обособена в три раздела: Геология, Растителност и Животински свят.
 

В първия раздел са разгледани въпроси за произхода и образуването на земята, за произхода на растителните и животински групи, представени са вкаменелости от мезозойската ера и терциера, добре проявени в околностите на Варна и в северната част на българското Черноморие – нумулити, охлюви, миди, морски таралежи, акули, влечуги, едри хоботни и хищни бозайници и др. Образци от полезни изкопаеми – нефт, газ, каменна сол, въглища и манган дават представа за рудните и нерудни богатства в Североизточна България.

Във втория раздел "Растителност" са представени някои основни растителни групи характерни за местния край – водорасли, растения по солените почви и пясъците, лонгозна растителност и растения-ендемити. Обърнато е внимание на черноморските водорасли като основни производители на органична материя в Черно море. Показани са стопански ценни видове – Phyllophora nervosa и Cystoseira barbata. Специално внимание е обърнато на халофитните растения – растящи край морето и крайбрежните езера върху солени почви и псамофитите – растения по пясъците, развиващи дълги пълзящи коренища и дълбоки корени достигащи до няколко метра дълбочина, като Artemisia maritima, Salsola soda, Linum tauricum и др. Характерна особеност на Черноморското крайбрежие са лонгозните гори, обитаващи влажните зони в долните течения на черноморските реки, характерни с лонгоския ясен Fraxinus oxycarpa, бряста Ulmus minor, елшата Alnus glutinosa, както и увивните растения – бръшлян Hedera helix, повета Clematis vitalba, скрипката Smilax excelsa и др. Определено място е отредено и на редките и ендемитни видове – ориенталски бук Fagus orientalis, странджанска зеленика Rhododendron ponticum, ракитника Hippophae rhamnoides, джела Ilex aquifolium и др.

Животинският свят на района е представен от безгръбначни и гръбначни животни подредени в систематичен ред – от едноклетъчните до бозайниците. Определено място е отредено на примитивно устроените многоклетъчни животни – мешестите Coelenterata, на червеите Vermes. От мекотелите Mollusca са показани обитателите на сушата, сладките води, черноморските води, както и вредните мекотели, като дървопробивача Teredo navalis, мидата каменопробивач Rhodas dactylus и др.  От членестоногите Arthropoda са представени низшите и висши ракообразни Crustacea, както и насекомите Insecta, включително и вредителите по зеленчуковите растения, овощните дървета и горите.  Гръбначните животни включват и петте класа обитаващи района – риби Pisces, земноводни Amphibia, влечуги Reptilia, птици Aves и бозайниците Mammalia. Отделено е по-особено внимание на черноморската рибна фауна – произхода на елементите които я съставят, стопански ценните видове, както и на ендемитите и на видовете намиращи се под закрила. Разгледана е и сладководната фауна включваща представителите на черноморските реки, езера, блата и др.