始于距今6亿多年前的甘肃古生代时期，无脊椎动物得到了空前的大发展，几乎全部为海生的动植物。它们包括节肢动物三叶虫、头足动物直角石、腕足动物、珊瑚、笔石、瓣鳃、牙形石等。到了古生代晚期，在局部地域海洋植物开始上陆，陆地植物渐趋繁荣，同时出现了最早的脊椎动物，如二叠纪的貘头兽、波罗蜥等。

    海洋动物厅共分两个单元。第一单元甘肃早古生代发现的化石。甘肃早古生代包括寒武纪、奥陶纪、志留纪三个时期。当时甘肃古海中生活着笔石、头足、腹足、三叶虫、珊瑚、苔藓虫、瓣鳃、牙形石等9个门类的生物，以前6个门类的生物为主。

    三叶虫是甘肃古生代无脊椎动物化石中发现最多的一个种类。它的身体扁平，椭圆形，有外壳。三叶虫的身体上下左右都可分成三个似叶状的部分——因此有三叶虫之名。三叶虫遇到侵袭时就把全身紧紧卷成一团，看来像块石头。

    展厅壁墙展柜陈列的是石燕化石，它们实际上是生物学分类上的腕足动物。大多数腕足动物是由壳的后端茎孔伸出肉茎固着在岩石上营底栖生活，少数可在泥沙中钻孔或躺在海底生活。腕足动物的软体被两片大小不等，两侧对称的外壳所包围，大者称腹壳，由于常具茎孔，故也称茎壳；小者称背壳，由于常具腕骨，也称腕壳。石燕引起人们广泛注意是在李时珍将其载入《本草纲目》之后，特别是许多地方志上都有记载。有的记载中甚至把石燕说成是会飞的，使石燕带上了一层神秘的色彩。后来古人经过考察认为，石燕是不会飞的，所谓石燕会飞的说法只是民间传说而已，没有什么证据。

    海洋动物厅的第二个单元是晚古生代发现的化石。甘肃晚古生代包括泥盆纪、石炭纪、二叠纪三个时期。泥盆纪（距今4～3.5亿年）的特点是甘肃陆地面积进一步扩大。海洋环境中生存的生物有珊瑚、腕足、三叶虫、层孔虫等浅海动物。大陆环境则生存着大量的低等植物和新登上历史舞台的鱼类。

    展厅的一个独立壁柜中陈列着发现于甘肃靖远县的一段黑灰色的硅化木标本，亦称“木化石”。为常见植物化石之一。硅化木的形成是由于木头掩埋在地层内，木质部的有机成分被地下水中的二氧化硅所置换的结果，因此树木的形态轮廓，包括它的年轮花纹还栩栩如生呢！

    在二叠纪展柜中展出了许多昆虫化石。它们是甘肃古陆上首次出现的昆虫化石，与当时繁茂的森林有密切关系，如肃南、酒泉二叠纪时树木繁多，适于昆虫类生活。蜚蠊是蜚蠊目昆虫的通称，俗称蟑螂。本目包括蜚蠊和地鳖。蜚蠊目的种类已知有7000种，而一般被称为蟑螂的种类约有2250种，我国已知有160多种。主要分布于热带地区。蜚蠊出现于距今3.5亿年以前的石炭纪（甘肃最早发现于二叠纪），目前中国已发现几百种蜚蠊化石。据研究，这些化石蜚蠊和现今生活着的蜚蠊体形结构极为相似。这种比恐龙出现还早的小动物经过亿万年生活，不但仍保持着原来的形态，而且繁殖得越来越多，说明它具有高度适应环境的能力。

    中生代是地质年代的第四个代。此时，脊椎动物大大发展，特别是爬行动物，不仅占据了陆地，而且统治了天空和海洋，故中生代又被称为“爬行动物的时代”。而爬行动物进化的主流是形态各异、大小不同的恐龙，故也有人干脆把中生代叫做恐龙时代。在甘肃发现了目前亚洲最大的蜥脚类恐龙----合川马门溪龙。20世纪80年代又在甘肃发现了我国第一只中生代鸟类化石----“玉门甘肃鸟”，当时曾引起了全世界古生物界的轰动。而最为著名的是20世纪末在甘肃永靖发现了大面积的恐龙脚印，不仅有蜥脚类、兽脚类等足迹，还有翼龙和鸟类的脚印，是一处世界罕见、具有重大科学意义的恐龙遗迹化石产地。

    从三叠纪开始甘肃进入地质历史时期的中生代阶段，延续时间大约从距今2.25亿年到7000万年前，包括三叠纪、侏罗纪和白垩纪，为海陆交替的地质时期。海相地层发现的化石有菊石、瓣鳃、腕足类等。陆相地层发现的化石种类繁多包括古植物、爬行动物（恐龙、翼龙、鳄鱼、陆龟等）、鱼类、鸟类等。

    三叠纪是中生代的第一个纪，甘肃原始海洋到了此时已处于它发展的晚期了，环境也变得复杂多样。古海面积出露于西秦岭、肃北海屯、秦安王家铺等地。发现化石有菊石、瓣鳃等，从化石自身构造看，当时的海洋生物为了适应环境的新变化，它们加固了自己的身体结构，为了抗浪的振荡冲击在体外坚固的壳上长出了各式各样的棱与脊、刺与瘤，同时还可以减少被其他生物残杀、吞食的危险，适应生存竞争的需要。

    在各个展柜中陈列着从甘肃各地采集的化石标本，比较重要的是采自漳县的菊石化石标本。菊石动物的名字，得自古埃及长着羊头的阿蒙神。阿蒙神头上长着的螺旋形角，与菊石的盘状外壳非常相似。

史前人类可能意识到菊石是一种奇特的石头，但是谁也不知道当时人们是怎样看待菊石的。他们把其视为圣石，认为它有唤起预示未来的梦幻的魔力。菊石是一种头足动物，生活在浩瀚的海洋中。菊石外壳呈典型的盘旋状，体管将血液从壳的尖端压到住室内。住室中生活着长有触角的软体部分，与现代的章鱼和乌贼相象，最为接近的是鹦鹉螺，区别在于体管的位置不同。

    三叠纪展品后的单元称为甘肃的侏罗纪公园。侏罗纪是继三叠纪以后中生代的第二个纪，始于距今1.8亿年前。这一时期，甘肃境内最大的变化是海水全部向东南退去，大规模的海退促使陆地上的湖泊十分发育，生活着大量鱼类。萦绕在湖泊周围灌木丛中，有各种昆虫。各地岩石层中发现的化石面貌也与三叠纪不同，给人以耳目一新的感觉。鸟瞰当时的甘肃大地：丘陵上森林茂密，林下长着一些蕨类植物，林内、林外还长着不少苏铁类和银杏类植物，林外的植物覆盖度也很好，到处郁郁葱葱；身长的和小巧的鱼类畅游水域，恐龙蹒跚漫步于大地，丰富的双壳类为来往于水陆的鳄类、龟鳖类提供着丰富的食物。多么美妙的景观，整个甘肃就是一座自然界的大公园。

    这个展厅陈列有整个展览最大的化石标本展品——合川马门溪龙恐龙化石模型骨架（复制品）。1947年，在甘肃兰州海石湾，由当时的中国石油公司甘青分公司勘探处的孙健初和苗祥庆发现了恐龙化石。根据发现的脊椎骨、肢骨、盘骨、肠骨等推测，这批材料至少代表三个恐龙个体的存在。后经鉴定研究命名为合川马门溪龙。它是目前亚洲最大的蜥脚类恐龙，有“动物王国的巨人”美称。它身长可达22米，身高近4米，估计活着时体重可达40吨—50吨，颈长9米，但它的头很小，脑子不足一斤重。推测其习性为水陆两栖生存，以水边植物为生，生活的地质时代是距今约1.4亿年前的侏罗纪晚期。

    剑龙类群是以四足行走的植食性恐龙，体长可达9米。学名源自颈部、背部和尾部的两排高耸的骨质护板，大多数的剑龙类群肩部都会长出一对棘钉。这类恐龙有厚重的身体及小而低垂的典型头部。

    在剑龙上方悬空陈列的是翼龙标本骨架。为了让观众了解翼龙的习性翼龙骨架被吊在了空中。在展版上是这样介绍翼龙的——在中生代有些爬行动物向空中发展，被称为翼龙。它们不属于恐龙，在分类上与恐龙平行发展，是会飞的爬行动物。

步入三楼展厅就进入到白垩纪时期。白垩纪或称为“恐龙时代”，是中生代的第三个时期，也是最长的一个时期。它始于1.35亿年，结束于6500万年，延续了7000万年。恐龙的种类在这一时期比以往任何时期都要多。从许多方面来看，白垩纪是恐龙生活由古老形式向现代形式转变的过渡时期。这一时期开花植物的出现使进化模式发生了变化，从而导致了许多新种类恐龙的产生。当时的大陆，如同现在一样，分离开来，地球上的生存形式也因此更加多样化。6500万年前，恐龙及其他动物和植物遭到大规模灭绝，白垩纪时代也随之结束。

    这个展厅最壮观的要属一具禽龙化石骨架，它长近9米，高3米。

    这具骨架是甘肃省博物馆自然部2002年从从肃北境内挖掘采回的，发现的化石材料有禽龙的四肢骨、牙齿、肩胛骨、肋骨、爪子等，约占全部骨架的65%，属于基本完整的骨架个体，如此完整的骨架在国内并不多见，又由于过去甘肃境内至少发现过20多具恐龙化石骨架，但由于各种原因甘肃自己却没有留下一具。（顺便插一句戏言就连举世闻名的黄河古象化石骨架，我们展出的也是复制品。）鉴于此我们把这具靠自己力量发掘、自己组装的甘肃禽龙化石称为“甘肃第一龙”。

    值得一提的是“甘肃第一龙”骨架的装架姿态。过去国内外学者根据化石材料的发现认为禽龙是两足行走的食草类爬行动物，但近几年由于许多新材料的发现，尤其是亚洲地区主要是东亚的中国、蒙古国的发现，证实禽龙是一种四足行走的恐龙，只不过前肢已经相当进化，有五指，伸缩自如，但并没有脱离地面，主要功能还是用于走路。基于这一研究成果，我们在请专家制作装架时，参阅有关资料，把禽龙姿态设计为四足行走姿态，因此这一创举目前国内还没有第二家，故也可称其为“中国第一禽龙”。

    禽龙化石在恐龙研究上有着非常重要的意义。欧洲、亚洲和北美都曾发现过禽龙化石，无论知名度或进化程度上，禽龙都是恐龙类群中的佼佼者。1825年，英国路易斯地区的医生曼特尔正式提出这个学名并受到广泛关注。曼特尔认为禽龙是似蜥蜴的庞大动物，当代其他科学家则反驳说禽龙应该比较像犀牛。1878年，在比利时煤矿层中终于发现了许多完整骨骼，揭示了禽龙的真正面貌。禽龙属于大型恐龙，它的体长一般在10米左右，身高大约5米，笨重的躯体后面拖着又粗又长的尾巴。这种恐龙有鸟状的粗壮后肢，足上则有三趾，还有强而有力的双臂以及类似棘钉的拇指，有点像马头的颅骨上有无齿嘴喙。化石化的足印则暗示，禽龙可能会成群移动。有关禽龙类的化石在中国发现的并不多，产地仅在内蒙和四川，甘肃酒泉地区禽龙化石的发现，不仅为我国禽龙类增添了新材料，而且对研究该地区的古地理、古环境、古气候也有一定的意义。

    在恐龙骨架旁陈列的是巨龙类化石标本，最引人注目的是一根巨大的大腿骨，长达1.47米，比马门溪龙的腿骨还要长，巨龙化石除了酒泉地区产外，在甘肃中部的通渭县境内也有零星骨骼化石发现，如腿骨、肢骨等。

   
    在巨幅白垩纪景观画下摆放的是肃北马鬃山地区发现的鹦鹉嘴龙。鹦鹉嘴龙是鸟龙中一支特殊类型的小型恐龙，用两足行走，体长约有1米左右，头骨短宽而高，故较重，嘴弯曲成钩状，很像鹦鹉的嘴，故叫作鹦鹉嘴龙。