「脊椎动物的崛起」展分为「海洋中来」「征服陆地」「重返海洋」「龙行大陆」「飞龙在天」「展翅翱翔」和「哺乳初现」7个主题单元，共计陈列197件展品，沿脊椎动物演化的时间线，详尽介绍脊椎动物主要门类的演化历程和关键节点。
「海洋中来」单元阐释最早起源于海洋的脊椎动物，展示已知最早的脊椎动物之一海口鱼以及泥盆纪海洋中的霸主邓氏鱼；「征服陆地」单元展示最早登陆的鱼石螈以及被魏格纳作为大陆漂移证据的水栖爬行动物中龙。
「重返海洋」单元以沧龙头骨化石为展陈亮点，讲述爬行动物重返海洋的演化过程；「龙行大陆」单元围绕中央的恐龙池进行展示，最瞩目的展品是一件长达26米的井研马门溪龙骨架模型。
「飞龙在天」单元聚焦翼龙的演化发展；「展翅翱翔」单元通过原始热河鸟的化石标本及具有羽毛的复原模型等，介绍演化史上「从龙到鸟」的重要过程；「哺乳初现」单元讲述哺乳动物的祖先类群以及爬行动物向哺乳动物演化的过渡类群。
部分展品
成年鹦鹉嘴龙与幼崽化石
顾氏小盗龙化石
部分展厅
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