位于广东省深圳市罗湖区东郊，坐落于深圳市第一高峰——梧桐山下的深圳市中国科学院仙湖植物园内，占地面积20000余平方米，室外展示面积1800平方米，建筑面积2200余平方米，室内陈列面积2000余平方米。分为室外展区和室内展区。其中室外展区规模1.1万平方米，主要展示本化石，分为中国内区和国际区，中国内区展出木化石400余株，国际展区展出本化石300余株。室内展厅规模2000平方米，分为两层、一楼主要展示古动物化石，二楼主要展示古植物化石。

深圳古生物博物馆依山兴建，石砌而成，远观如同一只巨型恐龙的骨架，造型奇特。馆舍与耸立其间的化石森林浑然一体，十分壮观，构成古生物化右的生态区。博物馆入口处的大理石屏风，高2.5米，长8米。观察这座屏风，就会发现它隐含着"S"、"M"两个字母，是"生命"汉语拼音的字头。曲折的外形代表着生命演化的一个曲折历程；屏风上面的浮雕可以表现出生命的起源以及它由简单向复杂、由水生向陆生、由低等向高等演化的过程，这也是深圳古生物博物馆展览的主题。

深圳古生物博物馆是中国第一家以古生物命名的博物馆。由深圳市政府批准，1998年由深圳市城市管理局筹建，于2001年4月29日正式对外开放。截至2019年末，深圳古生物博物馆藏品有10128件/套，珍贵文物389件/套。