哈密博物館第二層為《哈密自然與地質陳列廳》，展陳麵積660平方米，展陳工作由中科院古脊椎動物研究所幫助設計製作，展出大型古脊椎動物的複原、鳥類化石、魚類化石、哈密奇石共200餘件；各類圖版文字90餘幅。
展廳主要通過地球演化、生命進化以及哈密新型能源與特色農業等三部分內容，展示了哈密地區的地質和生物演化曆史，以及豐富的礦產資源開發利用前景與“南園北牧”的特色農業發展格局。
展廳還展出有中生代的大型恐龍與最完整的恐龍蛋窩、最小和最完整的帶毛恐龍、著名的孔子鳥、最早飛向天空的翼龍等珍貴的古生物展覽，以及哈密地質演化形成的形態各樣的矽化木與流光溢彩的瑪瑙陳列，仿佛讓人們穿越時空隧道，走進億萬年前神秘的遠古世界：那裏火山爆發頻繁，湖水碧波蕩漾，森林茂密繁盛，恐龍忙碌覓食、翼龍翱翔天空、鳥兒婉轉啼鳴……一幅生機勃勃的侏羅紀公園和白堊紀生物樂園景象浮現在人們麵前。在探索未知世界的同時，可以通過新型能源和特色農業專題陳列，讓人們對美麗的哈密有一個全麵的了解。
古代文明陳列“全景”
《哈密古代文明展》展廳在博物館主樓三層，展覽麵積940平方米，采用大通史並結合小專題的方式來呈現哈密的古代文明及曆年考古發掘成果，展廳共展出文物800餘件。
哈密細石器文化。展櫃中展出的是采集於哈密三道嶺和七角井兩處細石器遺址的細石器。主要是用矽質岩石、燧石、石英石等打製的石核、石葉、石鏃等，年代距今7千～1萬年。
哈密青銅器文化。哈密至遲在距今四千年前後，已經邁入青銅時代，屬於這一時期的典型墓地和遺址的有哈密天山北路墓地、巴裏坤南灣墓地、蘭州灣子石結構遺址等，博物館展出了出土於這些遺址的部分精品文物。
哈密早起鐵器時代文化。哈密地區接近公元前兩千紀末步入早期鐵器時代，這一時期考古成果較為豐富。從出土器物看，哈密早期鐵器時代畜牧業和手工業較為發達，並出現了較細的社會分工。展廳展出的文物以哈密五堡古墓地、焉不拉克遺址和伊吾縣拜其爾墓地出土的器物為主。
五堡墓地出土較多的木器。木器是當時除陶器之外重要的生產和生活用具。古代哈密有著較好的生態環境，茂密的胡楊林分布廣泛，五堡先民就地取材，利用胡楊木製作了大量的生活用品類木器。展櫃中彩繪木桶、船形木盤都是胡楊木鑿製而成的，被用來做盛儲器。哈密五堡的古代先民還製作了象征原始巫術或祭祀用品的木俑、木陀螺及其他隨葬的器皿。
說到哈密古代文明，不能不提五堡的毛紡織業，它集中體現了當時高超的紡織工藝和審美藝術，是社會進步的重要標誌。哈密出土的毛布較多，幹屍幾乎都穿有毛織衣物，這表明當時毛布的產量較大，已能滿足人們的一般需求，毛紡織的原料以細羊毛為主，織物分為平紋和斜紋兩種。
新疆考古學上的焉不拉克文化就是以哈密發現的焉不拉克墓地命名的。焉不拉克墓葬群位於哈密市柳樹泉農場焉不拉克村旁，東南距哈密市約60公裏。焉不拉克古墓群是新疆境內最重要的一處早期鐵器時代遺存。距今約2500年～3000年，是全國重點文物保護單位。
焉不拉克古墓群範圍較大，墓葬排列密集，延續時間長，它既是青銅時期和早期鐵器時代的古跡密集區，又是東西方文化黃白兩大人種交彙融合過渡區。焉不拉克文化是在哈密天山北路文化的基礎上，接受周圍諸多文化因素而形成的，並對當時天山南北的蘇貝希文化、察吾呼溝口文化、伊犁河流域文化的形成起到了直接的推動作用。