館舍布局呈“軸線對稱，主從有序；中央殿堂，四隅崇樓”的仿唐建築群體，連廊庭院，參差錯落，典雅凝重，氣勢雄偉，堪稱陝西悠久歷史和燦爛文化的象徵。
陝西歷史博物館展廳面積11600多平方米，展出文物精品2700多件，展線總長2300米。展廳跨度大，層位高，視野廣闊，照明設備靈活多用，通風設施好，裝飾古樸典雅，給人凝重、舒暢、清新之感。整個陳列分為序廳、基本陳列、專題展覽、臨時展覽和已開闢為國際畫廊的中央大廳等幾個部分。
序廳位於中央大殿前端，陳列一尊巨大的千年石獅（唐順陵石獅複製品），襯以黃河巨幅彩照，引導觀眾去領略由黃土黃河孕育出的古老文明。
陝西歷史博物館的基本陳列為陝西古代史陳列，它以歷史進程為線索，選取各時代的典型文物進行組合陳列，來揭示陝西地區古代社會文明發展狀況。該陳列展廳面積4600平方米，共三個展室，分為七個部分（史前、周、秦、漢、魏晉南北朝、隋唐、宋元明清），精選的2000餘件珍貴文物包括：反映古代先民生活情景和藝術追求的豐富多姿的彩陶器皿，反映周人興起與鼎盛的青銅器，反映秦掃六合統一天下氣勢的青銅劍、經機、兵馬等，以及顯示秦漢奮發崛起精神的鋼建築構件、大型瓦當，還有反映封建盛世繁榮景象的精美的唐代金銀器和唐三彩等，並配以遺址模型、圖表、照片等輔助展品。系統地展現了自115萬年前至1840年陝西地區的古代歷史。由於中國古代社會周、秦、西漢、隋唐幾個盛期都是在陝西地區建都的，所以該陳列以這幾個時期為重點，既突出反映了陝西地區古代燦爛的文化，也反映了這幾個時期中國社會經濟文化發展的最高水平。
專題展覽廳位於序廳西側，陝西青銅器珍品展和陝西曆代陶俑精華展是陝西歷史博物館首次推出的兩個專題展覽。展廳面積約2600餘平方米，展出文物600多件（組）。其中陝西青銅器珍品展選取這個陝西歷史上文物最宏富、最突出的橫斷面，從種類與用途、銘文與書法、造型與裝飾、隨葬與窖藏、青銅鑄造工藝五個方面予以展示。展出青銅器260件（組），整個青銅器展室給人一種厚重凝鍊的感覺。陝西曆代陶俑精華展展出文物341件，以時間為序，分為秦漢、魏晉南北朝、隋唐、宋元和明代五個階段，分別以神武鷹揚、氣勢古拙、神韻質樸、儀態軒昂、典雅華美、灰色凝練、餘光明媚為主題展示了陝西乃至中國陶俑的發展過程。
陝西歷史博物館現有文物藏品115000多件。其中已登記註冊的有41000多件，未登記註冊的尚有74000多件（不包含尚未清理的錢幣）。絕大多數藏品是前陝西省博物館移交的。比較典型的藏品有以下八大類：
一、銅器。 已登錄註冊的有3900多件。藏品時代上起商周，下止秦漢。種類有禮器、樂器、兵器、車馬器、生活用品和生產工具。其中最為典型的商周青銅器，許多器物（如多友鼎、師獻鼎等）上鑄有史料價值很高的銘文。造型較為典型的有先周鳳柱受、西周牛尊、它較、戰國鳥蓋部壺和漢彩繪雁魚燈等。
二、唐代墓葬壁畫。400多幅，畫面面積1000多平方米。是1952年至1989年先後從陝西關中地區25座唐墓里揭取的。墓主均系唐代三品以上的皇親國戚和朝廷重臣。畫面內容有四神、儀衛、建築、狩獵、生活及唐與四鄰的友好來往等。是反映唐代社會的重要形象資料。
三、歷代陶俑。已註冊的有2000多件。藏品時代包括秦漢、北朝、隋唐和宋元明清。質地有陶、彩繪陶、釉陶和三彩。藝術形象有文武官員、甲士侍衛、男僕女侍、西域胡人，以及天王、鎮墓獸和馬、駱駝等各種動物。
四、歷代陶瓷器。已註冊的有5000多件。有史前仰韶文化彩陶、西周原始青瓷、漢代釉陶、唐三彩、古玻璃、琉璃、唐秘色瓷和宋耀窯青瓷等。器物種類包括生活用品、文具和殉葬明器等。
五、歷代建材。已註冊的有1000多件。藏品時代上起兩周秦漢，下至唐宋明清。器物種類有陶製的瓦、瓦當、磚、昭尾、水道和石刻建材，以及金屬建築構件。
六、漢唐銅鏡。已註冊的有800多件。造形多樣，圖案精美。有些還鑄刻著吉祥語句。
七、金銀玉器。包括湮金望銀的銅器。已註冊的有2000多件。其中如西周玉制禮器、春秋秦公大墓出土的金啄木鳥、西漢皇后玉婆、攀金銀竹節銅熏爐和1970年西安何家村唐代窖藏出土的塞金獸首瑪瑙杯、八棱樂位金杯、鎏金舞馬銜杯紋銀壺、赤金走龍等，均屬舉世罕見的精品。
八、歷代貨幣。已註冊的有10000多件。未清理造冊（即不包括在總藏品數之內）的尚有50000多枚和近7000公斤。種類繁多，有西周貝幣、戰國刀幣、秦半兩、西漢金、王五株、王莽時的各種貨幣、唐金銀幣以及稀有的古代外幣。
除上述八大類外，還有字畫、版本、經卷、織物、骨器、木器、漆器、鐵器、石器、印章、封泥，以及近現代文物和民俗民族文物。
每當觀眾來到陝西歷史博物館，那氣勢恢宏的建築，璀璨奪目的文物，曾使多少炎黃子孫、中外賓朋為之驚喜，為之振奮，為之怦然心動。從1991年6月20日起，她便以雄渾典雅的姿態，矗立於曾是十三朝帝都的西安，與大雁塔遙相呼應，向人們訴說著昨日的輝煌，展示著今日的風采，昭示著未來的希望。每天，成千上萬的遊客絡繹不絕，把她視為周秦漢唐的藝術殿堂，中華文明的歷史長廊，在這裡觀展徜徉，品評鑑賞，留下美好的記憶，帶走無盡的嚮往。
