구문소 지역 일대는 천연기념물 제417호로 지정된 전기고생대 지층 및 하식지형으로 고생대의 따뜻한 바다 환경에서 퇴적된 지층이 널리 분포된 지역이다. 또한, 국내 유일하게 전기고생대 지질층서가 연속 관찰되고, 중기고생대 부정합면을 관찰할 수 있는 곳으로 학계에 가장 많은 관심을 받고 있는 곳이다. 특히 삼엽충을 비롯하여 완족동물, 필석류, 연체동물, 코노돈트 등 많은 화석이 산출되어 우리나라 고생대 화석의 보고라 할 수 있다. 고생대 자연환경과 그곳에 살았던 생물역사를 추적할 수 있는 다양한 화석 및 퇴적구조를 구문소지역 일대에서 체험학습을 겸한 교육효과 향상과 학자들의 자연사 연구에 기여하고자 고생대자연사박물관을 2010년에 건립하게 되었다.
박물관은 전시실과 기획전시실, 야외체험학습장, 고생대 콘텐츠 체험관, 포켓뮤지엄, VR 체험실, 편의시설로 구성되어 있다.
1층 전시실에서는 직접 참여하여 체험할 수 있는 다양한 체험아이템으로 구성되어 있는 곳으로, 탁본, 크로마키, 화석발굴 등의 놀이를 통한 체험 학습실과 강의실을 겸한 체험공간이다. 2층 전시실에서는 선캄브리아시대와 전기 및 중기 고생대의 다양한 생명과 지층을 만날 수 있다. 전시실 밖에 있는 포켓 뮤지엄에서는 태백의 동굴, 석회석의 이용, 화석의 세계, 기증자코너, 고생물 친구 삼엽충을 만날 수 있다. 3층 전시실에서는 후기 고생대와 중생대 그리고 신생대에 살았던 다양한 동식물들을 만날 수 있다. 포켓 뮤지엄에서는 태백의 자연과 제6의 멸 (지구온난화)에 대해서 관람할 수 있다. 야외전시관은 아이들이 뛰어놀 수 있는 놀이터와 근처에 구문소가 자리하고 있어 즐겁게 뛰어놀며 자연을 경험할 수 있다.