Экспозиция музея представлена тремя залами:
Природный зал посвящен физико-географическим условиям Ульяновской области, ее геоморфологическим особенностям и геологическому строению. Зал знакомит посетителей с разнообразием минералов и горных пород, с условиями их образования и уникальными геологическими объектами Симбирского-Ульяновского края, одним из которых является Городищенский разрез. Большое внимание уделено главному природному богатству курорта Ундоры — лечебной минеральной воде. Зал рассказывает о знаменитых ученых, чьи исследования внесли существенный вклад в развитие палеонтологии и стратиграфии и придали краю мировую известность. Ряд витрин зала посвящен представителям современной фауны и флоры Ундор.
Зал палеонтологии рассказывает о наиболее интересных страницах геологической летописи – об истории пребывания древнего Русского моря на территории края и его обитателях. В экспозиции зала представлено многообразие форм ископаемых животных, населявших древнее море в юрский и меловой период 120 – 150 млн лет назад. Основу экспозиции составляют раковины ископаемых головоногих моллюсков аммонитов и белемнитов, остатки ископаемых морских рептилий ихтиозавров, плезиозавров и плиозавров. Экспозицию украшают графические реконструкции ископаемых морских рептилий, любезно предоставленные художником-палеоиллюстратором Андреем Атучиным (г. Кемерово), а также объемные реконструкции ископаемых рептилий.
Зал истории посвящен заселению данной территории с эпохи каменного века, использовании человеком ее природных богатств, а также людям с. Ундоры.