1994（平成6）年に「茨城の風土に根ざした自然に関する総合的な社会教育機関」として「過去に学び、現在を識り、未来を測る」ことを基本理念に、茨城県最大の自然環境保全地域である菅生沼＊の西岸に開設された。16.4万m²という広い敷地ではあるが、隣接する菅生沼との一体的な景観を意図して博物館の建物・施設は設計されている。エントランスには、姉妹館である中国内蒙古自治区博物館（現内蒙古博物院）の協力のもと、「過去」のシンボルとして松花江マンモス（世界最大級のマンモス）やヌオエロサウルス（大型の植物食恐竜・世界最大級）、メタセコイア（生きている化石）などが展示されている。 展示空間は基本理念に沿い大きく6つの展示テーマ＊に対応して分けられており、それぞれの展示空間は曲線を描く回遊路によって結ばれている。
　博物館の活動目標を「自然と共生し，市民と協働する博物館であること」としているが、そのことがもっとも現れているのは野外の施設と展示だ。15.8万m²（東京ドームの約3.5倍）に及ぶ広大な野外施設は、雑木林や谷津田などの里山環境の部分と樹木見本園や広場などからなり、学芸員によるネイチャーガイドや、化石のクリーニング、バードウォッチング、貝化石探しなどの体験イベントも用意されている。隣接する菅生沼にも出入り自由で、歩行者専用の「菅生沼ふれあい」橋では、沼に生息している野鳥など多種多様な生き物たちを間近で見ることができる。なお、この橋で東岸のキャンプ場などがある体験学習施設「水海道あすなろの里」へ渡ることができる。