Естественнонаучный музей входит в пятерку крупнейших геолого-минералогических музеев страны. В пяти демонстрационных залах с общей площадью 2050 метров представлены около 9 тыс. экспонатов. Знакомство с музеем начинается с посещения исторического зала. В его витринах - образцы минералов, впервые обнаруженных в Ильменских горах, портреты ученых - первооткрывателей, а также материалы, посвященные истории изучения Ильмени и этапам становления заповедника. В Ильменском зале представлены горные породы, минералы гранитных и щелочных пегматитов, систематическая коллекция ильменских минералов. Здесь же демонстрируется уникальная геологическая карта Ильменских гор. Рядом с этим залом - коллекция минералов из аналогичных Ильменам комплексов: Вишневогорского, Ловозерского и Хибинского массивов. В биологическом зале посетители знакомятся с различными биоландшафтными комплексами Южного Урала. Основную часть зала занимает большая диорама длиной 33 метра, в которой можно увидеть типичные виды животного и растительного мира заповедника в разное время года. Некоторые виды оформлены биогруппами: "Лисья семья у норы", "Нападение волков на косулю", "Глухариный ток", "Бобры возле хатки". В центре зала в небольших витринах расположены коллекции гнезд, яиц, редких видов растений, различных типов лишайников. В зале систематики представлены 764 минеральных вида и их разновидностей. В зале минералогии месторождений - около 700 образцов из разных типов месторождений: пегматитовые, гидротермальные, выветривания, осадочные и метаморфические, а также минералы техногенеза. В этом же зале располагаются срезы пейзажной уральской яшмы, голубые топазы, фиолетовые аметисты, минералы Изумрудных копей. В здании музея представлена только часть экспозиции, на территории Ильменского заповедника создан уникальный "Музей в природе". Визит-центром музея является лекционный зал, в котором проходят научные конференции, семинары, школы, лекции, встречи со школьниками, учеными, любителями природы. В зале демонстрируются компьютерные лекции, научно-популярные видеофильмы о природном комплексе заповедника, организуются выставки
