地下部分为古贝壳堤剖面展示区，该展区采用现代科技手段对古贝壳堤进行了保护性发掘，展出的古贝壳堤剖面层次分明、出露清晰、规模宏大、连续性好、具有典型性，属第二道贝壳堤最古老的一段。它形成于约2200年前，对于古地理、古气候、海洋生态、海陆变迁等学科研究具有重要的科学价值。它的形成是天津海陆变迁自然遗迹之一，真实地记录了历史变迁过程，“在中国及太平洋滨海平原地区实属罕见”。它同美国的圣路易斯安那州贝壳堤、南美的苏里南贝壳堤共称为世界著名的贝壳堤。展出的古贝壳堤在世界著名的古贝壳堤中，层次最丰富，贝壳含量最高，规模最宏大。为此先后有美国、德国、法国、丹麦、日本等8个国家的科学家到馆进行科学研究。

     
 地上一层展区主要介绍天津滨海新区的地理位置，古林古海岸遗迹博物馆在滨海新区的地理位置、天津古林古海岸遗迹博物馆的介绍、渤海湾西岸贝壳堤简介、全球贝壳堤的分布、贯穿渤海湾四道贝壳堤的横剖面图及三位贝壳堤研究代表性人物的介绍。二层为科普教育展示区，展牌图文并茂全面细致地介绍了天津地区海陆变迁过程及被称为“地球之肾”的湿地生态系统对改善环境所起的巨大作用。