Наиболее зрелищной частью Музея являются крупные экспонаты – более 35 скелетов древних животных, выставленных на подиумах. В процессе их подготовки и монтажа принимали участие научные консультанты: И.А. Дуброво, В.И. Жегалло, М.Ф. Ивахненко, А.К. Рождественский, Н.Н. Каландадзе, С.М. Курзанов, Е.Н. Курочкин, Е.А. Малеев, В.Ю. Решетов, П.К. Чудинов и др., а также монтажники-препараторы: В.С. Бишоф, Л.П. Галухина, П.И. Горячев, В.В. Доброхотова, М.П. Жукова, М.В. Иванова, Ю.П. Кирьянов, М.Ф. Лукьянова, Д.Е. Лунин, И.И. Лихачев, С.В. Мохов, В.В. Пронин, М.Г. Прохоров, В.В. Саблин, Ю.С. Слободенюк, Б.С. Тарусин, Н.М. Фролкин, С.А. Харитонов, Н.И. Хомизури, В.В. Чистоганов и др.
Богатое и разнообразное оформление интерьеров Музея, тесно связанное с его тематикой, способствует восприятию непростой музейной экспозиции. Для монументально- декоративного убранства залов использован белый камень (как традиционный для старой Москвы строительный материал), керамика из подмосковных глин и медь. В экспозиции находится около двух десятков крупных монументальных работ. В большинстве из них животные изображены в натуральную величину. Самыми масштабными и значимыми произведениями признаны панно «Древо жизни» А.М. Белашова и панно «Динозавры» М.П. Митурича-Хлебникова. Над монументально-декоративным оформлением Музея также успешно работали М.Ф. Баринов, С.А. Казанский, О.А. Куликова, В.А. Малолетков, О.В. Малышева, Е.В. Николаев, П.А. Панченко, А.Г. Пологова, П.А. Степанов, Ю.Л. Чернов, М.В. Шаховская- Фаворская, Е.В. Шелова.
Специально для Музея были созданы витрины нескольких модификаций, позволяющие оптимальным образом показать разнообразные по форме и размерам натурные объекты. Дизайн витрин разрабатывался группой художников под руководством М.А. Шишкова. Более полное представление об облике древних организмов и среде их обитания формируют созданные большим коллективом художников яркие и выразительные графические иллюстрации, которых в экспозиции более тысячи. Органично вписались в экспозицию нового Музея замечательные картины К.К. Флёрова. Тесное сотрудничество художников с учеными позволило добиться научной достоверности всех элементов художественного оформления Музея.
За последние два десятилетия в Палеонтологическом музее им. Ю.А. Орлова сформировался один из крупнейших научных и учебно-просветительских центров России. В Музее постоянно проводится работа по совершенствованию экспозиции. Активное участие ведущих ученых Института в музейной деятельности позволяет поддерживать ее на высочайшем научном и дидактическом уровне. Здесь сразу находят место новые научные данные и интересные находки. Постоянно модернизируется научное сопровождение витрин, совершенствуются тексты и этикетки, создаются новые разделы экспозиции. За последние годы появились принципиально новые витрины – «Янтарь», «Происхождение четвероногих», «Петалодонты и эвгениодонты», «Конодонты» и др., а также новые экспонаты – плита с докембрийскими организмами, бактериальный мат, следовая дорожка парейазавроподобных животных и уникальная коллекция севских мамонтов.
