เป็นพิพิธภัณฑ์เปิดที่เป็นแหล่งโบราณคดีแห่งแรกในประเทศไทย เป็นนิทรรศการถาวรซึ่งแสดงขั้นตอนการขุดค้นทางโบราณคดีที่ยังคงลักษณะของศิลปวัตถุที่พบตามชั้นดินเพื่อให้ผู้เข้าชมได้ศึกษาถึงการขุดค้นทางโบราณคดีและโบราณวัตถุซึ่งส่วนใหญ่เป็นภาชนะเผาที่ฝังรวมกับศพ ส่วนที่ 2 ตั้งอยู่ทางด้านซ้ายของทางเข้าเป็นอาคารที่จัดแสดงเกี่ยวกับเรื่องราวและวัฒนธรรมของบ้านเชียงในอดีตตลอดจนเครื่องมือเครื่องใช้ที่แสดงถึงเทคโนโลยีในสมัยโบราณรวมทั้งโบราณวัตถุและนิทรรศการบ้านเชียงที่เคยจัดแสดง ณ ประเทศสหรัฐอเมริกานอกจากนั้น
การจัดแสดงนิทรรศการ และ ส่วนการบริการ
1. อาคาร ‘สมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนี’
เป็นอาคารศูนย์รวมส่วนบริการต่างๆ ได้แก่ จุดประชาสัมพันธ์และจำหน่ายบัตรเข้าชม ห้องประชุม และห้องจัดแสดงนิทรรศการหมุนเวียน
2. อาคาร ‘กัลยาณิวัฒนา’
เป็นอาคารจัดแสดงนิทรรศการหลัก ประกอบไปด้วยส่วนจัดแสดงย่อยจำนวน 9 ส่วน
ส่วนจัดแสดงที่ 1 พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดชกับบ้านเชียง ส่วนจัดแสดงนี้บอกเล่าถึงการเสด็จประพาสในปีพ.ศ. 2515 ซึ่งนำพาความร่วมมือจากองค์กรต่างๆ ในการศึกษาและการพัฒนาแหล่งโบราณคดีบ้านเชียง และแหล่งอื่นๆ ในประเทศไทย พระราชปุจฉาซึ่งพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวทรงตรัสถามเมื่อคราวเสด็จนั้นถูกนำมาจัดแสดงในส่วนนี้เพื่อเกริ่นนำถึงขั้นตอนการศึกษาทางด้านโบราณคดีเบื้องต้น
ส่วนจัดแสดงที่ 2 การดำเนินงานทางโบราณคดีที่บ้านเชียง นำเสนอลำดับเวลาการศึกษาทางด้านโบราณคดีในบ้านเชียง โดยเน้นเหตุการณ์สำคัญ รวมถึงบุคลากรที่มีส่วนสำคัญทั้งชาวไทย และชาวต่างชาติ
ส่วนจัดแสดงที่ 3 การปฏิบัติงานทางโบราณคดีที่บ้านเชียง แสดงถึงขั้นตอนการทำงานและการศึกษาระหว่างการขุดค้นโดยนักโบราณคดีระหว่างปี พ.ศ. 2517 – 2518 เช่น การแบ่งประเภทและวิเคราะห์โบราณวัตถุที่พบ รวมถึงวีดีทัศน์บทสัมภาษณ์ชาวบ้านในท้องถิ่น
ส่วนจัดแสดงที่ 4 บ้านเชียง: หลุมขุดค้นทางโบราณคดี ฉากและบรรยากาศจำลองแสดงสภาพหลุมขุดค้นระหว่างปี พ.ศ. 2517 – 2518 โดยผู้เข้าชมสามารถเยี่ยมชมและสังเกตขั้นตอนการทำงานภายในหลุมขุดค้นจำลองอย่างใกล้ชิด
ส่วนจัดแสดงที่ 5 โบราณวัตถุจากการขุดค้นทางโบราณคดีที่วัดโพธิ์ศรีในโบราณวัตถุที่ถูกพบในหลุมขุดค้นวัดโพธิ์ศรีในถูกนำมาจัดแสดงในส่วนจัดแสดงนี้ โดยแบ่งออกตามสมัยของวัฒนธรรมบ้านเชียง ทั้ง 3 สมัย เช่น เครื่องปั้นดินเผา เครื่องมือเครื่องใช้ต่างๆ และเครื่องประดับจากวัสดุธรรมชาติ แก้ว หิน และโลหะ
ส่วนจัดแสดงที่ 6 วัฒนธรรมบ้านเชียงยุคก่อนประวัติศาสตร์ จัดแสดงฉากจำลองและโบราณวัตถุเกี่ยวกับวิถีชีวิตของคนสมัยก่อนประวัติศาสตร์ในวัฒนธรรมบ้านเชียง โดยจำลองบรรยากาศและสิ่งแวดล้อมในช่วงสมัยดังกล่าว
ส่วนจัดแสดงที่ 7 บ้านเชียง: การค้นพบยุคสำริดที่หายสาบสูญ นิทรรศการนี้ถูกดัดแปลงมาจากนิทรรศการที่ถูกจัดขึ้นโดยมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียเพื่อการจัดแสดงในประเทศสหรัฐอเมริกาและประเทศสิงคโปร์ โดยมีอธิบายการศึกษาทางโบราณคดีในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ภาคพื้นทวีปโดยสังเขปจนถึงการค้นพบวัฒนธรรมในยุคสำริดที่แหล่งบ้านเชียง
ส่วนจัดแสดงที่ 8 บ้านเชียง: มรดกโลก จัดขึ้นเพื่อเป็นเกียรติที่แหล่งโบราณคดีบ้านเชียงได้รับเลือกเป็นแหล่งมรดกโลกทางวัฒนธรรมในปี พ.ศ. 2535 ตามหลักเกณฑ์การพิจารณาข้อที่ 3 “เป็นสิ่งที่ยืนยันถึงหลักฐานของวัฒนธรรมหรืออารยธรรมที่ปรากฏให้เห็นอยู่ในปัจจุบันหรือว่าที่สาบสูญไปแล้ว”
ส่วนจัดแสดงที่ 9 การกระจายตัวของวัฒนธรรมบ้านเชียง จัดแสดงโบราณวัตถุที่ถูกพบระหว่างการสำรวจจากแหล่งโบราณคดีก่อนประวัติศาสตร์ใกล้เคียงกับพื้นที่แหล่งบ้านเชียงตั้งแต่ปี พ.ศ. 2515 เพื่อศึกษาการกระจายตัวของวัฒนธรรมบ้านเชียงในบริเวณแอ่งสกลนคร ปัจจุบันมีการค้นพบแหล่งโบราณคดีที่ได้รับอิทธิพลของวัฒนธรรมบ้านเชียงจำนวน 127 แหล่งกระจายตามลุ่มน้ำสำคัญในจังหวัดอุดรธานี สกลนคร และหนองคาย
3. อาคารนิทรรศการไทพวน
จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับวิถีชีวิต ประวัติศาสตร์ และวัฒนธรรมของชาวไทพวนซึ่งเป็นผู้ตั้งถิ่นฐานในแหล่งโบราณคดีบ้านเชียงในปัจจุบัน
หลุมขุดค้นวัดโพธิ์ศรีใน ตั้งอยู่ในวัดโพธิ์ศรีในห่างออกไปจากพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ บ้านเชียงทางทิศตะวันออกราว 500 เมตร หลังจากการเสด็จประพาสวันที่ 20 มีนาคม พ.ศ. 2515 กรมศิลปากรได้ปรับปรุงหลุมขุดค้นภายในวัดโพธิ์ศรีในเพื่อจัดแสดงเป็นพิพิธภัณฑ์กลางแจ้งแห่งแรกของประเทศ
เรือนไทพวนอนุสรณ์ เดิมเป็นบ้านของคุณพจน์ มนตรีพิทักษ์ ซึ่งอนุญาตให้กรมศิลปากรทำการขุดค้นฯ ในปีพ.ศ. 2515 หลังจากการเสด็จของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวและสมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ คุณพจน์ผู้เป็นเจ้าของจึงบริจาคบ้านหลังนี้รวมถึงที่ดินให้กับกรมศิลปากรเพื่อสงวนรักษา เป็นอนุสรณ์สถานการเสด็จประพาสครั้งนั้น
เรือนไทพวนอนุสรณ์ได้รับพระราชทานรางวัลด้านการอนุรักษ์ศิลปะสถาปัตยกรรมดีเด่น ประจำปีพ.ศ. 2550 โดยสมาคมสถาปนิกสยามในพระบรมราชูปถัมภ์