พิพิธภัณฑสถานแห่งชาติอุบลราชธานี มีการจัดแสดงนิทรรศการเพื่อให้ผู้คนสามารถมาเรียนรู้ทางด้านธรณีวิทยา ประวัติศาสตร์ โบราณคดี ศิลปหัตถกรรมพื้นบ้าน ชาติพันธุ์วิทยา ศาสนาและการปกครอง โดยจัดแบ่งออกเป็น 10 ห้อง ดังนี้

ห้องข้อมูลทั่วไปของจังหวัดอุบลราชธานี จัดแสดงข้อมูลทั่วไปของจังหวัดอุบลราชธานี  แผนที่แสดงตำแหน่งที่ตั้งการแบ่งเขตการเมืองการปกครอง และเส้นทางคมนาคม ตราประจำจังหวัด รวมไปถึงภาพถ่ายแหล่งท่องเที่ยวและสถานที่สำคัญทางด้านวัฒนธรรมและทางธรรมชาติ

 ห้องธรณีวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือ จัดแสดงข้อมูลการกำเนิดโลก แผนที่ลักษณะธรณีวิทยาที่ราบสูง ซากดึกดำบรรพ์ต่างๆ เรื่องราวของไดโนเสาร์ ตัวอย่างแร่และหินชนิดต่างๆ และการขุดพลอยในเขตจังหวัดอุบลราชธานี เป็นต้น

ห้องสมัยก่อนประวัติศาสตร์ จัดแสดงข้อมูลและหลักฐานทางโบราณคดี โบราณวัตถุสมัยก่อนประวัติศาสตร์ที่พบในเขตจังหวัดอุบลราชธานี เช่น เครื่องมือหิน กลองมโหระทึก ภาชนะดินเผารูปทรงต่างๆ เครื่องใช้และเครื่องประดับสำริด รวมทั้งอาวุธที่ทำจากสำริดและเหล็ก โดยที่ผนังจะมีภาพเขียนสีจำลองจากแหล่งภาพเขียนสีผาแต้ม ซึ่งเป็นแหล่งภาพเขียนสีที่สำคัญในเขตอำเภอโขงเจียม จังหวัดอุบลราชธานี

ห้องสมัยประวัติศาสตร์เริ่มแรก วัฒนธรรมทวารวดีและวัฒนธรรมเจนละ จัดแสดงโบราณวัตถุสมัยประวัติศาสตร์เริ่มแรก ในวัฒนธรรมเจนละหรือวัฒนธรรมเขมรก่อนเมืองพระนคร ซึ่งมีอายุราวพุทธศตวรรษที่ 12 – 13 และวัฒนธรรมทวารวดีอายุราวพุทธศตวรรษที่ 12 – 15  มีโบราณวัตถุที่สำคัญที่สุด ได้แก่  อรรธนารีศวร อายุราวพุทธศตวรรษที่ 13 ค้นพบในจังหวัดอุบลราชธานี เป็นประติมากรรมที่สลักรวมรูปพระศิวะและพระอุมาผู้เป็นชายารวมไว้เป็นองค์เดียวกัน นอกจากนี้มีเสาประดับกรอบประตูศิลปะเขมร แบบไพรกเมง อายุราวพุทธศตวรรษที่ 12 พระพุทธรูปและใบเสมาหินทราย อายุราวพุทธศตวรรษที่ 13

ห้องวัฒนธรรมขอมหรือเขมรสมัยเมืองพระนคร จัดแสดงโบราณวัตถุสมัยประวัติศาสตร์ ที่ได้รับอิทธิพลเขมรสมัยเมืองพระนคร อายุราวพุทธศตวรรษที่ 15 – 18 เช่น พระคเณศศิลปะเขมรแบบเกาะแกร์ ทับหลังแบบกำพงพระ ทับหลังแบบบาปวน ศิวลึงค์หินทราย และชิ้นส่วนประดับสถาปัตยกรรมจากโบราณสถานที่สำคัญในจังหวัดอุบลราชธานี ได้แก่ ภาพสลักเทพนพเคราะห์จากปราสาทบ้านเบ็ญ

ห้องวัฒนธรรมไทย – ลาว จัดแสดงโบราณวัตถุ ศิลปวัตถุ ในวัฒนธรรมไทย – ลาว ระหว่างพุทธศตวรรษที่ 23 – 25 โดยเน้นเป็นพระพุทธรูปปางต่างๆ ทั้งที่ทำจากไม้ สำริด และหินทรายลงรักปิดทอง โบราณวัตถุสำคัญได้แก่ พระพุทธรูปปางสมาธิ ศิลปะลาว หล่อด้วยสำริด เป็นพระพุทธรูปที่มีพุทธลักษณะงดงามมาก ที่ฐานมีจารึกสรุปได้ว่า เจ้าอนุวงศ์เป็นผู้ให้หล่อขึ้นเมื่อ พุทธศักราช 2369

ห้องผ้าโบราณและผ้าพื้นเมืองอุบลราชธานี จัดแสดงโบราณวัตถุ ศิลปวัตถุ ประเภทผ้าทอโบราณ และผ้าพื้นเมืองอุบลราชธานี เช่น ผ้านุ่งของสตรีชั้นสูง ผ้าฝ้าย และผ้าไหมทอลวดลายต่างๆ

ห้องดนตรีพื้นเมือง จัดแสดงข้อมูลเกี่ยวกับดนตรีพื้นเมือง โดยทำหุ่นจำลองนักดนตรีอีสานขนาดเท่าคนจริง กำลังบรรเลงเครื่องดนตรีแบบต่างๆ ส่วนใหญ่เป็นเครื่องดนตรีที่ดัดแปลงมาจากวัสดุธรรมชาติ เช่น พิณ ซอ โปงลาง หมากกั๊บแก๊บ โหวด แคน

ห้องศิลปหัตถกรรมพื้นบ้านและเครื่องใช้ในครัวเรือน จัดแสดงศิลปหัตถกรรมพื้นบ้าน ประเภทเครื่องใช้ในครัวเรือนและเครื่องใช้พื้นบ้าน เช่น เครื่องทองเหลืองบ้านปะอาว พร้อมขั้นตอนการทำเครื่องทองเหลือง ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่ได้แก่ เชี่ยนหมาก ผอบ ตะบันหมาก ขัน กระพรวน ซึ่งล้วนแต่มีกรรมวิธีผลิตที่สืบทอดมาแต่โบราณ

ห้องการปกครองและงานประณีตศิลป์เนื่องในพุทธศาสนา จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับการปกครองเมืองอุบล ก่อนการปฏิรูปการปกครองในสมัยรัชกาลที่ 5 เมืองอุบลราชธานี ภายในห้องมีการจัดแสดงภาพถ่ายของบุคคลสำคัญ และเครื่องใช้ของเจ้าเมืองอุบลราชธานี