Với 1.200m² sử dụng, trong đó có 500m² trưng bày, thông qua các tài liệu, hiện vật, hình ảnh, Bảo tàng đã phản ánh sinh động vẻ đẹp một vùng đất cổ “Non nước hữa tình” và quá trình đấu tranh dựng nước, giữ nước oanh liệt của nhân dân Ninh Bình. Phần trưng bày của Bảo tàng gồm:    

Ninh Bình - dấu ấn một vùng đất cổ: Trưng bày những hình ảnh, hiện vật về lịch sử tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên và lịch sử Ninh Bình từ thời Tiền sơ sử. Sưu tập thú rất sinh động và đa dạng (gấu, báo, hổ, nai, hươu, lợn rừng trăn, rắn, sóc, bướm, chim…) và những hình ảnh về các thắng cảnh nổi tiếng ở Ninh Bình chứng minh Ninh Bình - một mảnh đất tươi đẹp, có sơn thanh thủy tú, có nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú và những trung tâm bảo tồn thiên nhiên đặc biệt quý giá như Rừng quốc gia Cúc Phương, Khu bảo tồn đất ngập nước Vân Long...

Những hiện vật quý phát hiện tại các di chỉ Khảo cổ học như Di chỉ Đồng Vườn, Hang Sáo, Mán Bạc, Động Người Xưa... phong phú về chất liệu, đa dạng về loại hình như công cụ lao động bằng đá, vỏ nhuyễn thể, đồ trang sức bằng gốm, sừng, đồ dùng bằng gốm (nồi, bát, cốc, vật hình nấm)... Đặc biệt tại di chỉ Khảo cổ học Mán Bạc niên đại cách ngày nay 3000 - 4000 năm, trong tầng văn hóa, ở độ sâu so với mặt đất khoảng 1,6m, có 5 ngôi mộ với 6 bộ xương còn gần như nguyên vẹn (3 người lớn, 3 trẻ em). Như vậy, con người nguyên thủy hàng ngàn năm trước đã theo quá trình biến thoái và sự bồi tụ đồng bằng, rời bỏ núi đồi để ra sinh sống ở vùng đồng bằng.

Đặc biệt, trên địa bàn huyện Nho Quan đã phát hiện ra 06 chiếc trống đồng. Trên mặt trống là ngôi sao 12 hoặc 14 cánh tượng trưng cho mặt trời, xung quanh có hình chim bay, chim đậu ngược chiều kim đồng hồ, hình bông lúa... phản ánh xã hội nông nghiệp thời Hùng Vương dựng nước có kỹ thuật luyện kim phát triển.

Ninh Bình thời Đinh, Tiền Lê, Lý, Trần, Hậu Lê, Nguyễn:  Nền văn minh Đông Sơn đang phát triển đến rực rỡ thì bị tan vỡ bởi vì xâm lược của nhà Hán; Trong một nghìn năm dưới ách thống trị của phong kiến phương Bắc, nhiều cuộc khởi nghĩa đã nổ ra như khởi nghĩa của Hai Bà Trưng, của Lý Bí (Lý Nam Đế), của Ngô Quyền... dù giành được những thắng lợi bước đầu nhưng chưa mang lại độc lập thật sự cho đất nước.

Trong những năm giữa thế kỷ thứ X, đứng trước nạn cát cứ 12 sứ quân, Đinh Bộ Lĩnh đã gánh vác sứ mệnh thiêng liêng: dẹp nạn cát cứ, thu giang sơn về một mối. Năm 968, ông lên ngôi Hoàng đế (Đại Thắng Minh Hoàng Đế), đặt tên nước là Đại Cồ Việt, chọn Hoa Lư xây dựng Kinh đô, tự đặt niên hiệu là Thái Bình. Tháng 10 năm 979, Đinh Tiên Hoàng cùng người con cả là Đinh Liễn bị tên Chi hậu nội nhân Đỗ Thích giết hại. Hoàng tử Đinh Toàn mới 6 tuổi lên ngôi hoàng đế. Nhân cơ hội đó, nhà Tống lăm le xâm lược nước ta. Trước tình hình đó, Dương Thái Hậu, đã lấy áo long bào của Đinh Tiên Hoàng trao cho quan Thập đạo Tướng quân Lê Hoàn, tạo cơ sở pháp lý cho Lê Hoàn lên ngôi Hoàng đế. Lê Hoàn lên ngôi vua (980) và chống Tống thắng lợi ở Bạch Đằng, Chi Lăng và Tây Kết, bình được giặc Chiêm (981), giữ vững bờ cõi.

Một trong những sự nghiệp lớn của vua Đinh, vua Lê là xây dựng Kinh đô Hoa Lư. Kinh đô Hoa Lư được xây dựng trên diện tích 300 ha, chia làm hai khu vực: Thành Nội và thành Ngoại. Tương truyền thành Nội là nơi các quan lại triều đình ở và làm kho, thành Ngoại là nơi xây cung điện chính.

Để tìm hiều về Kinh đô Hoa Lư, vào những năm 1970, 1977, 1998, 2009, 2010 Viện Bảo tàng Lịch sử, Viện Khảo cổ, Bảo tàng Ninh Bình đã tiến hành nhiều đợt khai quật tại khu vực Cố đô Hoa Lư và đã phát hiện nhiều hiện vật thế kỷ X, trong đó có các viên gạch dùng xây tường và lát nền trong cung điện xưa, in dòng chữ Hán: “Đại Việt quốc quân thành chuyên” (Gạch xây thành của nước Đại Việt) và gạch “Giang Tây quân”, gạch vuông có trang trí hoa sen hoặc đôi phượng vờn nhau.

Sưu tập cột kinh Phật ở ven sông Hoàng Long là hiện vật duy nhất chỉ tìm thấy ở Hoa Lư. Các cột kinh được làm bằng đá, gồm 6 bộ phận, trên thân chạm khắc chữ Hán nói lên việc cầu siêu cho Đinh Hạng Lang và những lời sám hối của Đinh Liễn.

Một trong những sưu tập quý ở Hoa Lư là sưu tập vịt đất nung (trên hai chục con) tìm thấy ở chân núi Rùa. Đây là những con vật trang trí trên bờ nóc cung điện xưa.

Ngoài ra, tại khu vực Cố đô còn phát hiện nhiều hiện vật thế kỷ IX, X, XI như vò, thuyền tán, thóc cháy, tiền đồng, mô hình tháp...

Đất Ninh Bình tự hào là nơi vua Trần Thái Tông đã lựa chọn là nơi xây dựng hành cung Vũ Lâm. Đây là nơi tu hành của các vua Trần và là hậu cứ trong cuộc kháng chiến chống quân Nguyên Mông lần 2 (1285). Thung lũng, núi đá vôi Thiên Dưỡng ở phía Nam cung Thái Vi là trung tâm căn cứ địa Trường Yên. Tại đây, nhà Trần đã tập hợp lực lượng và đánh tan một bộ phận quân Nguyên (6/1285), góp phần nhanh chóng quét sạch quân thù ra khỏi đất nước. Trong chiến thắng đó, chắc chắn có công sức của nhân dân phủ Trường Yên, nơi nhà Trần đã xây dựng hành cung Vũ Lâm từ trước đó.

Thời Hậu Lê, vùng đất Ninh Bình ngày nay được chia làm hai phủ: Trường Yên và Thiên Quan. Thế kỷ XVII - XVIII là thế kỷ của nghệ thuật dân gian, thời kỳ này cũng là thời kỳ nhân dân xã Trường Yên xây dựng lại đền vua Đinh và đền vua Lê. Những tác phẩm điêu khắc gỗ nhân gian ở đây là những tác phẩm đẹp như: Tiên cưỡi Rồng, hoa sen, cá hóa Rồng, trúc hóa long...và những tác phẩm điêu khắc đá dân gian như: Long sàng, rồng đá, nghê đá...

Một dấu ấn quan trọng khác trên đất Ninh Bình: Năm 1788, nghĩa quân Tây Sơn đã theo kế của Ngô Thì Nhậm, rút lui chiến lược, xây dựng phòng tuyến Tam Điệp - Biện Sơn. Sau khi đã có sự chuẩn bị chu đáo, giữa đêm 30/12/1788, 5 đạo quân của Nguyễn Huệ đã xuất kích từ Tam Điệp, tiêu diệt đồn tiền tiêu Gián Khẩu, mở đầu cho chiến dịch đại phá quân Thanh.

Trước sự nhu nhược của triều đình nhà Nguyễn, thực dân Pháp xâm lược nước ta. Nhiều sỹ phu yêu nước, đã đứng lên lãnh đạo nhân dân chống Pháp. Ở Ninh Bình có cụ Vũ Phạm Khải, Phạm Thật Duật (Yên Mô), Vũ Duy Thanh (Yên Khánh)... là những văn thân, trí sỹ quyết tâm chống giặc cứu nước tuy sự nghiệp chưa thành.

Cùng với văn học, kiến trúc và điêu khắc dân gian phát triển. Nhân dân công giáo Phát Diệm đã xây dựng nhà thờ xứ trên mảnh đất sa bồi, một công trình kết hợp độc đáo giữa yếu tố Đông - Tây, nhưng vẫn mang đậm đà bản sắc dân tộc cả về kiến trúc và điêu khắc. Ở đây có những tác phẩm điêu khắc đá tuyệt đẹp như: Phượng hàm thư, sư tử, tùng, cúc, trúc, mai...

Ninh Bình trong kháng chiến chống thực dân Pháp và đế quốc Mỹ: Phần trưng bày tái hiện sinh động, khách quan những mốc son lịch sử chói ngời của quân dân Ninh Bình trong hai cuộc chiến tranh bảo vệ Tổ quốc vĩ đại. Qua đó, giáo dục về lịch sử, về tình yêu, lòng tự hào đối với quê hương đất nước. Tiêu biểu là hình ảnh về chiến sỹ cộng sản Lương Văn Tuỵ - một tấm gương sáng về lòng yêu nước, ý chí kiên cường và lòng dũng cảm. Lá cờ đỏ búa liềm năm 1929, anh cắm trên đỉnh núi Non Nước - giữa đồn bốt của kẻ thù hiện được trưng bày trang trọng tại bảo tàng.

Đặc biệt trên địa bàn Ninh Bình diễn ra hai chiến dịch lớn: Chiến dịch Quang Trung (từ ngày 28 rạng 29/5/1951 đến đêm 21 rạng 22/6/1951). Đây là chiến dịch lớn đầu tiên ở đồng bằng Bắc Bộ, đã thực hiện cả yêu cầu về chính trị và quân sự, bộ đội ta được rèn luyện và trưởng thành, tinh thần quân giặc hoang mang lo sợ; và Chiến dịch Tây nam Ninh Bình (từ 15/10 đến 6/11/1953) liên tục chặn đánh và phản công địch, quân dân Ninh Bình vừa phối hợp, hiệp đồng chiến đấu với chủ lực Đại đoàn Đồng Bằng, vừa phục vụ bộ đội tác chiến đã góp phần đập tan cuộc hành quân Muet của địch: Diệt trên 4.000 tên, thu 55 khẩu súng, phá hủy 13 xe quân sự.

Hình ảnh và hiện vật về sự phá hoại và tội ác của đế quốc Mỹ trong hai lần ném bom bắn phá miền Bắc 1965, 1972. Đặc biệt, từ tháng 4 đến tháng 12 năm 1972, Mỹ đã huy động 1177 lần máy bay, đánh 535 trận và 523 mục tiêu gây tội ác chồng chất đối với nhân dân ta. Ngày 08/5/1972, địch ném bom vào trường học và khu nhà dân ở xã Khánh Tiên làm 46 người chết, 238 người bị thương, trong đó phần lớn là các em học sinh. Ngày 12/8/1972 - ngày lễ lớn của đồng bào công giáo, máy bay Mỹ ập đến đánh phá, ném xuống nhà chung Phát Diệm 10 quả bom, làm 8 người chết, 6 người bị thương, phá hủy nhiều nhà thờ, nhà ở, ảnh và tượng Thánh.

Bảo tàng Ninh Bình cũng giới thiệu sưu tập hiện vật “Kỷ vật chiến trường” của các đồng chí Cựu chiến binh tỉnh Ninh Bình. Trở về sau ngày chiến thắng, những cựu chiến binh mang theo những kỷ vật chiến trường để ghi nhớ về một thời kỳ lịch sử đau thương mà oai hùng có sự tham gia đóng góp của chính họ và để nhắc nhở, dạy dỗ các thế hệ con cháu về lịch sử của quê hương, ấy là những bộ quân phục đã rách hoặc ngả màu, những chiếc ba lô, mũ tai bèo, chiếc võng dù..., những chiến lợi phẩm thu được sau mỗi trận đánh, những kỷ vật tự chế tạo trong những giờ nghỉ giải lao, những lá thư gửi về quê hương nơi người vợ yêu đang mòn mỏi đợi chờ, và của hậu phương gửi ra tiền tuyến... Tất cả đều hết sức giản dị, đơn sơ nhưng mang một ý nghĩa lớn lao vì những kỷ vật ấy đang kể một câu chuyện lịch sử không được phép lãng quên.

Trưng bày chuyên đề “Đá chủ quyền Trường Sa” với 21 phiến đá mang tên 21 đảo thuộc quần đảo Trường Sa và một số hình ảnh về đời sống của nhân dân và các chiến sỹ Hải quân trên huyện đảo Trường Sa, tỉnh Khánh Hòa; Hình ảnh về các hoạt động của lãnh đạo tỉnh Ninh Bình thăm hỏi, động viên, chia sẻ những khó khăn nơi đầu sóng ngọn gió của cán bộ, chiến sỹ và nhân dân trên đảo. Phần trưng bày nhằm nâng cao hiểu biết về chủ quyền biển đảo của Tổ Quốc.

Trưng bày ngoài trời: Trưng bày máy bay MIG21 do Binh chủng Phòng không – Không quân tặng Đảng bộ và nhân dân Ninh Bình (Loại máy bay mà anh hùng liệt sỹ Đỗ Văn Lanh quê ở phường Ninh Khánh, thành phố Ninh Bình đã từng lái trong chiến tranh phá hoại của đế quốc Mỹ).