新馆坐落于大连市沙河口区黑石礁西村街40号(星海公园西侧)，地处风景秀丽的黑石礁海滨，建筑面积15000平方米，展览面积1万平方米，三面环海，礁石环绕。新馆建筑为典型的现代欧式风格，蓝色的屋顶与碧海、蓝天、白云相互辉映，景色怡人。馆内现收藏各种动植物、古生物及岩矿标本20万余件，其中大型海洋哺乳动物标本是该馆的突出特色。馆内现开设地球、恐龙、海洋生物、东北森林动物、湿地、物种多样性等12个展厅。展厅内的触摸式多媒体计算机、大屏幕彩电以及中央空调、楼宇自控、保安监控等高科技硬件设备，给观众创造了一个方便舒适的欣赏环境。另外，还有供观众休息、观海的休息厅，供学术研讨等文化主题活动的多功能厅，以及商店、餐饮等服务设施。
大连自然博物馆有各种标本近20万件，珍贵标本6千余件，一级藏品264件。馆藏特点是海洋生物标本和“热河生物群”化石标本，其中海兽标本20余种，其种类和数量在国内自然史博物馆中是最多的，其中大型鲸类、儒艮、白鳍豚、大熊猫、金丝猴、针鼹、鸭嘴兽、朱鹮、极乐鸟、蜂鸟及最早的食虫类远藤兽化石等，均为世界珍贵标本。黑露脊鲸体长17.1米，体重66.7吨，是目前亚洲最大的黑露脊鲸外形标本。长须鲸体长18.4米，体重 34.7 吨，是中国目前唯一的长须鲸外形标本。古莲子被埋藏距今约821～1251年，经过培育仍可发芽开花。该馆还保存着成套的台湾省昆虫和大量的世界昆虫标本及德国、日本、朝鲜、苏联等国的岩矿标本。其中朝鲜半岛的正长石晶族，其晶簇之大，晶形之美，为国内外罕见。“热河生物群”化石标本在国内是种类最多最有特点的，其中一窝鹦鹉嘴龙化石是世界上迄今为止惟一的、数量最多、保存最完整的、震惊世界的国宝级化石标本，其研究成果论文已发表在《Nature》(2004年9月431期)上。
该馆基本陈列分为海洋生物、地质矿产、生命的起源与人类的出现、动物和植物5大部分，共陈列标本4853件。其中黄海、渤海海洋生物陈列突出了地方特色。大型鲸类标本陈列，国内居首，国外也屈指可数。该馆还经常举办各种专题展览，如:《中国毛人图片展览》、《优生、优育、优教育》、《法国性的自然史展览》、《世界昆虫展》、《南极展》、《南海展》等。
该馆参与了省市和全国的动物志、植物志等书籍的编写工作。《中国毛人》一书获1983年全国优秀科技图书二等奖;《蛇岛考察》获1978年省重大科技成果奖。该馆还常与国外进行学术交流。1984年9月，日本北九州市自然史博物馆应邀到该馆展出了《世界的昆虫》。1986年8月，该馆应邀到日本北九州市、午鹤市展出了《东北的鸟兽》。