W nowym budynku dla Muzeum Geologicznego przeznaczono cały parter głównego pawilonu, obejmujący trzy sale o powierzchni ogólnej 1500 m2 oraz 20 piwnic w podziemiach (600 m2). Ten układ wzorowano na założeniach architektonicznych Instytutu Górniczego w Petersburgu i Brytyjskiego Muzeum Geologicznego w Londynie, gdzie w głównych salach umieszczono ekspozycję, a wokół nich rozmieszczono pomieszczenia na kameralne wystawy i pracownie.

W roku 1939 w Księdze Nabytków zarejestrowano prawie 200 kolekcji, co przekładało się na kilkaset tysięcy okazów. Były to największe zbiory geologiczne w Polsce.

II wojna światowa przerwała realizacje dalszych prac. Podczas bombardowania Warszawy we wrześniu 1939 roku muzeum poniosło ogromne straty. Szklany dach został podziurawiony, wyposażenie połamane a okazy zniszczone, porozrzucane i zmieszane z gruzem. W 1944 roku podczas Powstania Warszawskiego spłonęła duża część muzeum wraz z najcenniejszymi zbiorami. Ocalało 30% okazów: część wydobyto spod gruzów i mimo dużych uszkodzeń, stanowią one do dziś cenne materiały.

Można dziś podziwiać bogate kolekcje skał, liczne okazy minerałów i skamieniałości ułożone są w tematyczne wystawy.Są tu szkielety wymarłych zwierząt z epoki lodowcowej, rekonstrukcja polskiego dinozaura - dilofozaura (Dilophosaurus wetherilli).

Szkielet mamuta wielkiego zrekonstruowano w latach 50. Eksponowany szkielet ma 3,15 m wysokości, 5,70 m długości. Długość ciosów wynosi 3,5 m.