“探索与发现”展厅位于主展厅二层，包括A、B两个展厅，主要展示了近代以来在基础科学领域的探索与发现成果，同时也体现了人类在探索科学历程中的科学思想和科学方法。

A厅设有物质之妙、光影之绚、电磁之奥、运动之律、宇宙之奇五个展区，B厅设有数学之魅、声音之韵、生命之秘三个展区，分别展现了在化学、电磁、光学、力学、天文学、数学、声学、生命科学等领域的探索过程及取得的重大成果。多种多样的展现形式和互动手段可以让观众在参观体验的过程中领略到科学精神，享受探索与发现的乐趣。

A厅还设有电磁表演和大气压强两个主题的常设实验表演以及高压放电的定时演示项目供观众选择观看。