博物院分地上環(huán)廊展區(qū)和下沉式展區(qū)兩部分，按地上環(huán)廊120米展線的順序設(shè)計為前言、人類演化史、中國舊石器時代遺址、寧夏水洞溝文化遺址、結(jié)束語等5個單元。重點(diǎn)展示的是寧夏水洞溝文化遺址單元，此單元分水洞溝的地理概況、遺址的地質(zhì)構(gòu)造、水洞溝的古環(huán)境特征、水洞溝遺址的發(fā)現(xiàn)、遺址的分布圖、水洞溝的五次發(fā)掘、水洞溝遺址的發(fā)掘成果、水洞溝遺址研究、水洞溝人生產(chǎn)、生活場景等九大部分。