半坡博物馆陈列展览面积约4500平方米，分出土文物陈列、遗址大厅和辅助陈列三部分。

出土文物陈列由第一展室和第二展室组成，两个陈列室陈列的是从遗址中发掘出来的生产工具和生活用品。可分为石器类、骨器类和陶器类。主要展出半坡遗址和姜寨遗址出土的原始先民使用过的生产工具、生活用具和艺术品等，包括石斧、石铲、石刀、刮削器、敲砸器、箭头、磨盘、纺纶、骨锥、骨刀、骨针、鱼钩、鱼*、陶钵、陶盆、陶碗、陶罐、陶甑以及尖底瓶等，此外还有陶哨、人头、鸟头、兽头等艺术品和一些装饰品，在半坡遗址出土的二十二种刻划符号也展示在陈列室中。

从半坡遗址中看到的大量绚丽多彩的陶器，表明这一时期的文化为彩陶文化。其绘画作品有的丰富生动，有的神秘难测，有的则图案化，多绘在盆、钵、罐、细颈壶上，绘画作品多绘在小口器肩，腹和口部，直口器多绘在外壁或口缘外侧，大口器多绘于器内壁。多见黑彩，还有少量红彩。绘画图案古朴、简练，可分三大类:一类为象生性图案，如张口作吞食状的鱼、悠闲的鹿、搜索食物的蛙等动物纹，还有植物纹。这些象生图案同史前人类的生活息息相关，形态生动的动植物纹样是农耕和渔猎生活的反映。

第二类为几何图案，有三角形，方格纹、编织纹等，这类图案多在钵、罐、盆、壶类器皿外璧上部，许多钵类器口缘外侧绘黑色宽带纹，部分大口浅腹器皿的彩陶图案多绘在内壁上，小口器的图案则绘在口唇和肩腹部，这些部位多是容易看得见的地方，多数图案清晰，笔画疏朗，这些几何图案中，三角纹是由鱼纹图案变化而来，波折纹则是山或水的写意。 彩陶文化首次是在河南省渑池县仰韶村被发现的，因此半坡遗址是属于新石器时代的仰韶文化。

遗址大厅为3000平方米，是原始村落的一部分，其房屋建筑早期是半穴式，即一半在地下，以坑壁为墙露出地面的一半盖上了屋顶，这种房屋既低矮又潮湿。到了原始社会晚期，才在地面砌墙，并用木柱支撑屋顶，这种直立的墙体及带有倾斜的屋面，已形成了后来我国传统房屋建筑的基本模式，这在当时可算是了不起的举。

从遗址中还可以看到一条长300多米、深约5米、宽约6米的大鸿沟；这是护卫村落、不受外来部落的侵犯，防止野兽突然袭击的防御工事。遗址中还能见到公共的墓地，有的墓地上放着瓮罐，瓮罐上边盖着陶盆，陶盆中间钻有一小孔，人死后尸骨放在瓮罐中，小孔的作用是让死者的灵魂进出方便。遗址中还有储藏物品的地窖 和公共仓库等。这些使用过的窖穴、陶窑、墓葬等先民遗迹，生动而具体地展现了我们祖先开拓史前文明的艰难足迹。

辅助陈列有第三、第四两个展室，主要举办一些与史前学相关的专题性展览。这些融知识性、趣味性和艺术性为一体的展览受到了中外游客的广泛称赞和欢迎。