始祖獸的標本是一具側向壓扁的化石，雖然頭骨等部分骨骼碎裂，但並未支解，整體保存完好，甚至留下毛髮及部分軟骨印痕。
始祖獸體長約10公分、體重20~25克之間，將其骨骼型態與其他哺乳動物比較後，確定為真獸類的原始物種。牠的肩部、脊椎、指骨和爪都指出這是善於攀爬的樹棲動物。
包含人類在內，今日絕大多數的哺乳類皆屬於有胎盤動物，而真獸類則是有胎盤動物和一些親緣接近但比較原始物種構成的單系群。始祖獸的發現將真獸類的化石紀錄提前了4000~5000萬年。2011年發表，同樣出土於遼西，但地層時代早於熱河生物群的侏羅獸，則將此一紀錄再提前約3500萬年。
在所有脊椎動物當中，首度登上生命舞台的即是無頷類，最早可追溯到寒武紀的地層中；而包含軟骨魚和硬骨魚（以及所有四足動物）的有頷類動物，則是較晚才演化出來的類群。四億多年前，無頷魚類便已展現高度多樣性，盔甲魚、異甲魚、骨甲魚等不同綱級的動物優游其中。然而，泥盆紀末的大滅絕，卻幾乎將無頷類全數扼殺，存活至今的，僅剩下盲鰻和七鰓鰻這兩類的圓口類生物。
現生大多數的七鰓鰻物種為淡水棲、少部分為河海洄游的魚類，但古生代僅有的化石紀錄卻只在海相地層發現，而自中生代開始至新生代，都沒有其他七鰓鰻化石紀錄。直到2006年，古生物學家從內蒙古寧城的熱河生物群中描述了孟氏中生鰻，承先啟後地串起整個七鰓鰻家族的演化歷程，包含由海入河的生活史差異、幼體至成體的三階段變態過程，都已於白堊紀早期便與當今七鰓鰻相似。
中生鰻成鰻體長約8公分，吻端下方有著圓形的口盤，眼睛後方有著長長的鰓籠、兩側各有七個鰓囊及鰓孔、用以呼吸，軀幹背側前後一共約有80個弓形肌節。
遼寧古果是熱河生物群第一個重要的被子植物化石，其為莖細弱、根淺而分支少；葉形細且深裂分岔，沿著莖螺旋排列，莖頂有同樣螺旋排列的果實。
遼寧古果的部分化石僅有頂端果枝保存，沒有花萼及花瓣，雄蕊不明確。
遼寧古果推測為水生被子植物，可能依靠風傳播花粉。植物學者長期假設最早被子植物的花形似木蘭花，花瓣多且雄、雌蕊不發達，古果的型態卻正好相反，引起原始被子植物假說的爭論。
最初認為遼寧古果出土地層距今1.45億年，後重新定年更正為1.25億年。雖不如一開始認定的大幅提前被子植物化石紀錄，仍為年代最早已確認被子植物之一。
最初命名為十字中華果，後來經過與1983年發表，出土自哈薩克斯坦的卡拉歇裡海果比較，發現其果實和莖的形態都極為相似，在2007年更正為裡海果屬。
裡海果的莖細弱，整體植株高約20~25公分，根系不發達，莖頂有3~4枚長卵形的果實，每個果實內有10~20粒種子。大多數十字裡海果的化石並沒有葉片附著，難以確認其葉形。
十字裡海果有時會與魚類化石共同出土，應為水生草本植物。與哈薩克斯坦的化石相比，兩者基本型態類似，十字裡海果的果實較長且內含種子數量多，不過在現生植物中並無類似的物種，可能屬於已完全滅絕的支系。
楊氏錦州龍是鴨嘴龍超科（Hadrosauroidea）中的原始種類，是熱河生物群發現的第一個大型恐龍化石，身長估計約7公尺，頭骨長度約0.5公尺。2001年，在遼寧省錦州市義縣組中發現，因而得名，種名則紀念有中國恐龍之父之稱的楊鍾健博士。牠的牙齒數量與形態、喙嘴等特徵較接近禽龍類，然而，部份特徵例如缺乏眶前孔，又比較接近鴨嘴龍類。這樣奇特的特徵組合，有助於古生物學家釐清繁盛於白堊紀晚期的鴨嘴龍類是如何自禽龍類群演化而來。
2008年，北京自然博物館科研人員在遼西發現鸚鵡嘴龍木乃伊化石，多部位保留有清晰的皮膚印痕。它是恐龍死亡後屍體在相對乾燥的環境中保存，先形成乾屍，然後乾屍又被石化成化石，於是才有我們今日所見到的恐龍木乃伊化石。恐龍木乃伊化石的形成條件嚴苛，符合埋藏環境要求的機率又小，能發現此化石實屬不易。
為原始而小型的暴龍超科物種，估計成體長度約為2公尺。
奇異帝龍的正模標本下顎、尾椎外圍皆有保存絲狀構造，應為毛髮狀的絲羽，此類原始羽毛與飛行無關，推測主要作為保暖用途。
帝龍的腦區掃描顯示小腦發達，應為具有良好平衡性的敏捷動物，至於嗅球則尚未特化，不如後期暴龍類那樣具備特別敏銳的嗅覺。
顧氏小盜龍體長約70-80公分，體重估計1公斤左右，也是體型最小的恐龍之一，在牠的前、後肢都有羽翼的特徵，"四翼恐龍"別稱因此而得。顧氏小盜龍保存完好的幾具標本，是瞭解從不會飛的恐龍到飛行鳥類演化歷程的重要材料。
小盜龍的前、後肢都由兩側不對稱的飛羽組成翅膀，古生物學家分析牠的飛行能力，發現小盜龍除了滑翔以外，也有可能採取動力飛行，在樹林間穿梭。化石中保存完整全身的羽毛分佈，甚至連微細的黑色素顆粒都有保存，用顯微鏡觀察並和現生鳥類的羽毛比較後，古生物學家認為顧氏小盜龍全身應該披覆帶有虹彩光澤的黑色羽毛。
聖賢孔子鳥首件化石紀錄發現於1993年遼寧省北票市的四合屯村，取名自春秋時期著名的思想家、哲學家孔子。這種原始的鳥類體型和烏鴉差不多，翼展可達0.7公尺，體重可能介於0.2至1.5公斤之間，牠們擁有和當今鳥類相仿、大幅縮減並癒合的尾椎，稱為尾綜骨。這或許可以表明相較於始祖鳥、熱河鳥和會鳥，孔子鳥是關係上較接近鳥胸骨類的分支。牠們口中不具牙齒，但有粗壯的角質喙，是世界上最早出現角質喙的鳥類。然而，反鳥類和多數早期今鳥型類口中仍有牙齒，因此推斷孔子鳥和晚期今鳥型類的喙嘴，是趨同演化的結果。牠們的飛羽窄長，羽片不對稱，具有振翅飛行的能力，但考量肩部與胸骨的結構，可能無法持續飛行太久的時間。孔子鳥的尾巴基部缺乏尾扇，但部分化石長有一對極長的尾羽，比體長還要長，其末端約1/4處有明顯的羽枝。目前認為具有這種尾羽的標本是來自雄性個體。至今，遼西一帶已出土2000件以上的孔子鳥化石，成為中國發現的最著名的中生代鳥類。
豐寧原羽鳥發現於河北省豐寧縣的花吉營組中，屬名源自該化石相當原始的尾羽，基部羽軸上缺乏羽枝。原羽鳥以及同地層後來發現的馬氏始鵬鳥，皆是目前發現最原始的反鳥，生存年代可追溯到1億3000萬年前，比上述基幹鳥的化石出土年份都還要更早。牠的主要特徵是腕掌骨長於橈尺骨，小翼指（第一指）細長未退化，這與始祖鳥和孔子鳥等基幹鳥較為相似，反而異於其他反鳥。另外，小翼羽是現代鳥類慢速飛行和完成空中技巧動作的重要結構，對於鳥類的起飛、空中懸停和著陸皆具有重要作用，而原羽鳥便已具備。另外，牠們亦具備有前喙突的烏喙骨，以及發育完整的三角肌脊，這表明原羽鳥可能已經演化出與現今鳥型類相仿的喙上肌和胸肌，將振翅與高端飛行能力的起源向前推進。除了不對稱飛羽、絨羽之外，原羽鳥那對細長特殊的尾羽構造，如同現生的天堂鳥一樣，可能有展示與溝通的功能。
馬氏燕鳥與葛氏義縣鳥共同於2001年發表，出土自遼寧省朝陽市與丹東市的九佛堂組中，皆為松嶺鳥科的成員。燕鳥取名自中國五胡十六國時的後燕首都-龍城，即化石發現地的朝陽市。牠的體型有如一隻雞，頭骨修長，上下顎各約有20顆略向後彎曲的錐狀短牙。燕鳥具有U型叉骨，龍骨突長，肩胛骨及鳥喙骨也已演化成現今鳥型類的模樣，牠的雙翼比起其他古鳥可以提至超過肩膀的高度，振翅抬升的飛行能力極佳。化石的喉部與腹部還發現了魚類的殘骸，部位如同現生鳥類的嗉囊與砂囊，因而推斷燕鳥是食魚性的鳥類，透過牙齒逮住滑溜的獵物、再一口吞下。原先由於標本中發現胃石，認定燕鳥可以季節性轉換魚食與植食性。但最新研究透過位置與形態分析後，認為是誤吞的沙子在小腸中形成結塊，仍支持其食魚的習性。
秀麗郝氏翼龍翼展約為1.35公尺，沒有尾巴；頭骨低而長，嘴部前2/3有牙齒，上下顎各12對尖利的牙齒，表明其以魚為主食，可能也吃小型陸生脊椎動物。
其種名獻給中國科學院郝詒純院士，種名則暗示其正模標本保存完好的蹠骨。郝氏翼龍是中國出土的翼龍化石中，第一具保存完好頭骨的標本，最初歸於翼手龍類，但後來的研究則改列為原始的鳥掌翼龍。
展示地點
第一特展室
展示時間
2019.11.27
V
2020.05.26
© 國立自然科學博物館版權所有