陕西考古博物馆以考古历程、文化谱系、考古发现和文保科技四个常设展厅，运用诸多先进技术和新颖的展示形式，为观众奉上视觉盛宴，展陈面积约2522.84平方米，通过约2800件文物及其他辅助展品，展示三秦大地的“新发现”、“新理念”、“新技术”、“新成果”。
石峁龙山时代遗址是本世纪一项非常重要的考古发现。石峁城址以气势恢宏的石砌城垣为突出特征，是距今4000年前后东亚地区保存最好、规模最大、内涵最丰富的都邑性城址，代表了中国北方早期国家文明的发展高度。
随着龙山时代的结束，中华文明也进入了新的阶段。在周代王都与采邑部分，主要介绍了西周丰镐遗址、岐山周公庙遗址、宝鸡石鼓山商周墓地和陕西韩城梁带村、澄城刘家洼等芮国遗址。其中，西周丰镐遗址部分展陈了考古工作者在丰镐地区发现的包括大型建筑基址与宫殿区及铸铜、制骨、制陶等手工业遗址和以井叔家族墓地为代表的大片墓地、多处青铜器窖藏等在内的一大批西周遗存。
秦人首开帝制，历两汉至隋唐而达鼎盛。1973-1979年考古人员发现了秦咸阳城宫城遗址，发掘了秦咸阳宫第一、第三号宫殿遗址，开启了中国古代高台宫殿建筑遗址考古工作的先河。秦始皇帝陵位于西安市临潼区东郊的骊山脚下，不仅是中国历史上第一座皇帝陵墓，也是规模最大、埋葬品最丰富的帝陵。秦代展厅展出了从墓室、墓上建筑、陪葬坑、陪葬墓、陵寝建筑和城垣陵邑等遗迹中发掘的跽姿陶俑、文吏俑、兵马俑、石铠甲、文官俑、百戏俑等，有助于游客了解秦始皇帝陵陵园的遗存分布范围和内涵。
西汉帝陵共有十一座，被称为“西汉十一陵”。其中，九座帝陵分布在渭河北岸的咸阳塬上，文帝霸陵和宣帝杜陵分别位于西安市白鹿塬和少陵塬上。这里陵园规模庞大，气势宏伟，布局严谨，包括帝陵、后陵、陵邑、陪葬墓、丛葬坑等。
展厅还原了包括神木大保当东汉墓地等陵园的基本风貌，并展示了在西汉帝陵的考古发掘中出土的大量各式各样的陶俑，包括彩绘舞蹈俑、塑衣俑、着衣俑等。在泾阳大堡子西汉墓地出土的彩绘陶器色彩鲜艳，纹饰华丽，器型有仓、囷、壶、钫等。汉长安城与周边陵墓部分，最新在霸陵出土的刑徒俑也进行了展示。
唐代是中国封建社会的鼎盛时期，也是陕西历史上的黄金时代。唐长安城遗址和唐代帝陵也是展馆展示的重点。唐代帝陵共有十八座，被称为“唐十八陵”。这些帝陵分布于咸阳市三原县、泾阳县、礼泉县、乾县和渭南市富平县、蒲城县，大多依山为陵，也有堆土为陵。陵园仿照长安城，分为内城和外城，沿着中轴线从南向北依次为鹊台、乳台和神道。在陵园外围，还有下宫遗址和陪葬墓区，先后发掘的有永泰公主墓、章怀太子墓、懿德太子墓、节愍太子墓、惠庄太子墓、惠文太子墓、让皇帝惠陵等重要的陪葬墓。
馆内展出的藏品也包括了在发掘节愍太子墓、韩休夫妇墓等墓葬中发现的大量珍贵的壁画和随葬品，韩休墓壁画中的枣椰树、胡旋舞等元素，展现了粟特等西域文化的影响。同时，其壁画山水图也是国内目前发现的最早一幅独屏山水图。随葬品中的彩绘陶牵马俑、蕃酋像、唐三彩等，生动反映了唐代繁华灿烂的时代特征。
耀州窑遗址作为陕西手工业考古的代表，完整地复现了青瓷名窑的历史，其从创烧到衰落的历程，映射着长安从帝国都城到西北重镇政治地位的改变，也是中国古代经济重心由北向南逐渐转移的写照。
耀州窑遗址位于铜川市黄堡镇和陈炉镇周围，兴起于唐代，繁盛于宋代。这里以烧制青瓷闻名于世，代表北方青瓷的最高成就，釉色苍翠，如冰似玉。耀州窑的瓷器展品主要是碗、盘、杯、缸、钵、瓶、罐、盒、枕等生活用品，盛行刻花器，还有印花器。
