在距今2400万年－520万年的中新世纪，临夏盆地曾是亚热带—暖温带气候环境，盆地内湖泊星罗棋布，河流蜿蜒交错，草木茂盛，鸟语花香，是远古时代各种动物繁衍生息的乐园。由于受到青藏高原隆升变迁的影响，气候逐渐变冷，环境日益恶劣，从而形成了今天珍贵的古脊椎动物化石。收藏于博物馆的古动物化石，是世界文化遗产中的一朵奇葩，打开了人类窥视黄河古文明的窗口，掀起了沧海桑田的又一层神秘面纱，把我们的想象带到了遥远的洪荒时代。

　　馆藏化石分属两纲7目110个属种，代表新生代晚期的4个不同哺乳动物群，分别为距今3000万年的巨犀动物群，距今1300万年前的铲齿象动物群，距今1000万年左右的三趾马动物群，200万年前的真马动物群。藏品占据了六项世界之最：独一无二的和政羊、最大的三趾马动物群化石产地、最丰富的铲齿象化石、最早的披毛犀头骨化石、最大的真马——埃氏马、最大的鬣狗——巨鬣狗。 主要有以下三个方面的特点：

　　一是种类多。含爬行纲和哺乳纲的6目60个属种、哺乳纲的5目。占化石属种总数目60％左右的是距今1300万年的铲齿象动物群和距今1000万年前的三趾马动物群。这批化石中，有一级品50多件，二级品180多件，三级品350多件。其中三趾马化石储量和已采集的头骨化石标本数量均为欧亚大陆之首，超过了世界最著名的三趾马动物群产地皮克米和萨拉摩斯；铲齿象动物化石不仅在我国而且在欧亚大陆上也是最丰富的，其数量也超过了美国纽约自然历史博物馆和北京自然历史博物馆的馆藏。专家们一致认为，只要对这些标本做更深入的研究鉴定，其品级还会大大提高。

　　二是保存完好。80％以上的化石是完整的头骨、下颌骨、甲壳，它们都是已灭绝的古生物遗存。其中以”和政”命名的”和政羊”化石，种属是世界上唯一的；大型（如铲齿古象）和中型（如古长颈鹿、犀牛）的动物化石，形态特异，这些罕见的珍品，具有很高的展览价值。

　　三是填补了我国古代哺乳动物化石收藏中的一个重要空白区，有较高的科研价值，引起了国内外古生物学界的广泛关注。在纯自然状态下，陆地脊椎动物死后，由于动物细菌及自然环境的影响，只有万分之一的遗骨和残骸能够侥幸保存下来，形成化石。我国内蒙古通古尔铲齿象化石和山西保德三趾马动物群，在世界古生物界享有盛名，但遗憾的是，铲齿象现存美国，三趾马则藏于瑞典，这给我国科研造成了很大的困难，而和政的这批化石在品种、数量和质量上都可以与上述经典地区相媲美。和政三趾马化石明显不同于山西保德，为研究我国新生代晚期第三纪古地理古气候演变提供了重要的新信息。和政是目前欧亚大陆最好的三趾马动物群化石的研究地和参观点。

　　博物馆一、二期馆采用不同的展示方式。一期馆沿用传统展览方式，按照动物群和生活年代、动物特色，配以壁画和展板进行展示。二期馆主要以瀑布、小桥、流水、巨型山体、机械动物、动物雕塑、空间成像等现代化的展品和方式，来展示不同动物群及代表性动物的特点，真实地再现了不同历史时期古动物生活的原始生态环境。博物馆建有多媒体系统、触摸屏、互动游乐设施，设有100平方米的多媒体厅。观众可通过互动参与，亲身体验化石搜寻、称体重、比赛跑、机械动物、空间成像等项目。