Предпоследний зал Палеонтологического музея посвящен органическому миру второй половины мезозойской эры. Его главная архитектурная особенность заключается в расположении экспозиции на двух уровнях. Обширный проем превращает часть площади зала в балкон, что позволяет установить внизу скелеты крупных рептилий и расширить возможности их обзора. Декоративное оформление состоит из цветного панно с реконструкцией позднемелового ландшафта Южной Гоби (художники М.П. Митурич и В.А. Дувидов) и резьбы по известняковой плитке с изображением меловых рептилий и птиц (скульптор П.А. Степанов) на правой (внутренней) и левой (внешней) стенах зала соответственно. На дальней торцевой стене зала вывешена большая картина с динозаврами завролофами, написанная известным палеонтологом и художником К.К. Флёровым.
В начале мезозойской эры все крупные массивы суши соединялись в единый сверхматерик Пангею, что надолго предопределило сходство наземных фаун и флор разных континентов. В течение мезозоя увеличились акватории континентальных морей, а также Атлантического и Индийского океанов. В юрском периоде Пангея распалась на южный континент Гондвану и северный – Лавразию, которые позднее также разделились на части. В конце мезозоя наиболее крупным участком суши оказалась Палеоазия, соединявшаяся в середине мелового периода с западной частью Северной Америки. Для мезозоя не отмечено оледенений, поскольку средние температуры были значительно выше современных, даже в приполярных областях. В целом климат оставался относительно ровным в течение продолжительного времени и на больших пространствах.
С началом мезозоя на авансцену эволюции выдвинулись голосеменные растения, тогда как преобладавшие ранее плауны, хвощи и папоротники отошли на второй план. Среди животных главными «действующими лицами» стали пресмыкающиеся. В мезозое они, кроме суши, освоили водную и воздушную среды. Расцвет пресмыкающихся связывают с динозаврами. Они появились в конце триаса, а в юрское и меловое время достигли впечатляющего разнообразия видов и жизненных форм. Особенно примечательны примеры гигантизма у самых разных групп динозавров.
Рядом с динозаврами обитали многие другие группы наземных позвоночных животных, некоторые из которых возникли в мезозойскую эру. Например, в середине юрского периода появляются ящерицы, а в начале мелового – змеи. С конца триаса известны крокодилы и черепахи. Тогда же начинается история млекопитающих и, видимо, птиц. Последние две группы стали обычными элементами меловых фаун перед грядущим расцветом в кайнозойскую эру. Конец мезозойской эры ознаменовался новым циклом горообразования, охлаждением вод и падением уровня мирового океана. Прежняя система циркуляции воздушных и водных потоков, определявшая климаты на всей Земле, изменилась. Коренные преобразования ландшафтов совпали с широким распространением покрытосеменных (цветковых) растений. В итоге произошло сокращение территорий, пригодных для обитания крупных рептилий. Вымирание последних динозавров приурочено к окончанию мезозоя около 65 млн. лет назад.
Экспозиция зала открывается разделами, рассказывающими о разнообразии морских ящеров, о сообществах морских и пресноводных водоемов Восточной Европы и Центральной Азии в юрское и меловое время, а также о наиболее обычных представителях этого времени – архозаврах, некоторым из которых (крокодилам и птерозаврам) посвящены отдельные витрины. Далее на пристенном подиуме выставлена большая серия скелетов динозавров. Еще одна скелетная группа этих ящеров смонтирована на подиуме нижнего уровня. Последний расположен центрально, а вокруг него размещены витрины, посвященные разнообразию, биологии и условиям жизни динозавров. Завершается экспозиция зала на верхнем уровне разделом о происхождении и разнообразии древних птиц. Он включает несколько витрин и отдельных скелетов.