Als eine der bedeutendsten Fossilienfundstätten der Welt wurde die Grube Messel 1995 zum ersten Weltnaturerbe der UNESCO in Deutschland erklärt. Denn hier wurden 50 Millionen Jahre alte fossile Pflanzen und Tiere gefunden, die eingebettet in weichen bituminösen Tonstein (Ölschiefer) sich auf einmalige Weise erhalten haben: Bei Vögel sind noch die Federn zu erkennen, bei Säugetieren das Fell, bei Fledermäusen die Flughaut. Ihr außergewöhnlich guter Erhaltungszustand ermöglicht weitreichende Einblicke in die Flora und Fauna sowie die Lebensbedingungen während des Eozäns.

In besonderem Maße konnte durch die Messeler Fossilien die Evolutionsforschung auf dem Gebiet der Säugetiere forciert werden. Im Museum wird mit Hilfe eines Dioramas der subtropische Urwaldsee im Gebiet der heutigen Grube Messel veranschaulicht, so wie er während des Eozäns ausgesehen haben könnte. Unter den ausgestellten fossilen Insekten, Reptilien, Vögeln, Säugern und Pflanzen ist besonders auf die bekanntesten Fossilien der Fundstätte, die Messeler Urpferdchen, hinzuweisen.
Die Stellung der Messeler Urpferdchen innerhalb der Pferdeevolution wird durch Schaubilder verdeutlicht, eine Zeitachse im Nebengebäude des Museums bietet ergänzende Informationen zur erdgeschichtlichen Entwicklung. Hier werden auch ähnliche tertiäre Fossilienfundstätten in Deutschland vorgestellt.

Der Geschichte des Ölschiefertagebaus vom 19. Jahrhundert bis zur Stilllegung des Mineralölwerkes Messel ist ein eigener Bereich im Erdgeschoss gewidmet. Denn die Entdeckung des hiesigen Ölschiefervorkommens und dessen industrielle Ausbeutung erbrachten auch die ersten Fossilienfunde, zum Beispiel einen Alligator im Jahr 1876. Das Modell eines eigens für Messel konstruierten Rundofens veranschaulicht, wie darin der Ölschiefer verschwelt wurde, außerdem sind die wichtigsten Produkte des ehemaligen Mineralölwerkes Messel zu besichtigen.

Wechselausstellungen zur Orts- und Heimatgeschichte Messels gehören ebenfalls zum Museumsangebot wie Führungen durch die Grube und das Museum.