该博物馆中藏品以春秋战国时期北方系青铜器和北魏、北周、隋唐时期丝路文物为主。博物馆的建筑并不复杂，有陈列大楼、钟亭、古墓复原馆、石刻四部分组成，陈列大楼是游客参观的主要区域。陈列大楼的展览分为：基本陈列《固原历史文物展》和专题陈列《丝绸之路在固原》两部分。基本陈列中有三件文物是固原博物馆的镇馆之宝：北周鎏金银瓶、凸钉玻璃碗、北魏漆棺画就收藏在这里。

国宝鎏金银瓶非常珍贵，具有典型的波斯萨珊金银器风格，具有典型的异域风格。它是由鸭嘴形的流、细长的颈、上立胡人之弧形的把、玉壶春瓶似的腹和喇叭形的座结合而成的稳健、奇特的造型。瓶体腹部的三组人物图案叙述的是一个古希腊的神话故事。

凸钉玻璃碗，碗高约8厘米，腹深约7厘米，通体呈现出透明的碧绿色，碗体内还含有小气泡并且分布均匀。碗的外壁以两圈凸起的14个圆形装饰，上下错位排列。北魏漆棺画出土于固原南郊的一座夫妻合葬墓，男棺上绘制有精美的漆画，棺盖、前档及左右侧板上绘有天河图、墓主人身前饮宴图、孝子故事画。根据墓主服饰、棺木形制及漆画内容推测，年代约在北魏太和十年(486年)前后，墓主人可能是鲜卑人。

三件镇馆之宝，有时会被送到其他博物馆进行巡展，而北周鎏金银瓶过于珍贵，博物馆有时会把它收入库房保存，游客不是每天都可以看到这些藏品。此外，博物馆的专题陈列《丝绸之路在固原》，展示了春秋战国时期北方少数民族青铜器、北周文物、隋唐墓葬壁画，也非常值得一看。