泥河湾博物馆位于阳原县城新区泥河湾文化广场，占地20亩，主体二层，局部三层，长91米，宽53米，高17米，建筑面积4623平方米，总投资4100万元，属国家中型展馆，是我省目前唯一，也是全国规模最大的旧石器专题博物馆，可满足5万余件出土文物的陈列展示。博物馆平面呈半圆弧形，面向东北，30米高的“人”字型标志柱高高矗立，象征着东方人类从泥河湾走来，在外墙墙面上分布着的条带花岗岩，代表泥河湾标准地层。
泥河湾博物馆展厅面积2145平方米，展厅的500余米长展线分序言厅、四个主展厅、一个临时展厅，主要展现泥河湾标准地层、泥河湾古湖、马圈沟旧石器时代早期人类餐食大象、侯家窑旧石器时代中期人类猎马、虎头梁旧石器时代晚期细石器制造工厂及于家沟旧石器时代晚期采集业与农业萌芽等部分场景。同时采用绘画、雕塑及声、光、电等现代化科技手段，全景展现200万年前至一万年前泥河湾古人类狩猎、采集、用火、进食和制造工具的生产生活场面。该博物馆分六个展区，各展厅采取环套结构相连，又各自分隔，自成体系。同时在主体建设中设计了大型文物储藏室、资料档案室和文物修复室。该馆不论在建筑规模和藏品数量等方面均属前列，与云南元谋人、北京周口店等国家级博物馆一并成为世界考古科研基地。另外，在泥河湾遗址群内还将建设现场展览馆，作为博物馆的有机组成部分，重点对小长梁、虎头梁、侯家窑、马圈沟等重要遗址进行扣棚永久性保护展览，再现古人类生活场景。
旧石器时代，是人类开始出现的时代，以打制石器为工具，人类的体质具有原始的特征，遗存与若干绝灭动物共存，地质时代属于更新世，从距今250万年前开始延续到距今1万年前为止。
该展区对马圈沟、小长梁、东谷坨、岑家湾、飞梁等遗址进行复原。在展示时以当时自然环境和人类活动的壁画与文物标本相呼应，展现人类制造工具和使用工具的情景。采用绘景与真品结合的方式展出展品，挖空画中人群拿武器的手部，放置真实的文物标本。突破一般博物馆的陈列的定式，使观众直接了解遥远而陌生的石器是如何制造和使用的。
在展示的同时滚动播出马圈沟遗址发掘摄像资料与飞梁遗址发掘现场录像。
在北京中华世纪坛象征中华民族历史长河262米的青铜甬道第一级台阶上，镌刻了泥河湾小长梁遗址的名字，微缩复原世纪坛。