自然科學博物館建館目標有二：1.闡明自然科學之原理與現象，啟發社會大眾對科學之關懷與興趣，協助各級學校達成其教育目標，進而為自然科學的長期發展建立基礎。2.收集全國代表性之自然物標本及其相關資料(包括人類學遺物)，以供典藏、研究，並為展示及教育之用。
科博館以科際整合、生活化、藝術化及以人為中心之主題展示，設施及展示主題有：太空劇場、科學中心、生命科學廳、人類文化廳、地球環境廳。全館佔地87,276平方米，開放後每年參觀人數近3百萬人。台中市政府為促進地方繁榮，提升城市景觀，並借重科博館之專業能力及教育理念，把44,856平方米的公園規劃建設為一處的植物園。
1999年9月21日集集大地震，被震毀的台中縣霧峰鄉光復國中校區經教育部擇訂為921地震紀念館，並定名為「921地震教育園區」，由科博館負責園區籌建推動及日後的營運，斷層館及影像館內容更新完成後，於2004年9月21日對外開放參觀。第二、三期園區建設於2007年9月21日全區對外開放，展廳包括車籠埔斷層保存館、地震工程教育館、影像館、防災教育館及重建記錄館。自2013年1月1日起，「鳳凰谷鳥園生態園區」、「921地震教育園區」及「車籠埔斷層保存園區」，由「自然科學教育園區管理中心」統籌三大園區之展示、教育、休閒遊憩之規劃、研究、營運及推廣，以期整合台灣中部重要的自然保育與科學教育資源，發揮更大的社會教育和文化休閒功能。
– 台中市國立自然科學博物館
鳳凰谷鳥園生態園區廣達30公頃，有人工飼養之各國禽鳥、松鶴園等展示，以及中低海拔之戶外自然生態步道、瀑布景觀及萬年亨衢古蹟。推出常態性的賞螢、觀星、昆蟲、植物與鳥禽等各項自然生態教育活動，以豐富自然生態環境提供大眾熟悉生態教育。
車籠埔斷層保存園區，主要有「斷層槽溝保存館」和「地質科學館」兩個展館，其中「斷層槽溝保存館」的主要功能是維護及展示珍貴的車籠埔斷層槽溝；「地質科學館」則以豐富多元之展示，提供民眾地質科學教育，並肩負文化休閒服務的功能。