陕西历史博物馆展厅面积11600多平方米，展出文物精品2700多件，展线总长2300米。展厅跨度大，层位高，视野广阔，照明设备灵活多用。整个陈列分为序言厅、基本陈列、专题展览、临时展览和已开辟为国际画廊的中央大厅等几个部分。馆内设有现代化文物库房、文物保护科技中心、图书馆、具备多种语言同声传译功能的报告厅。
博物馆序言厅位于中央大殿前端，陈列一尊巨大的千年石狮（唐代顺陵石狮复制品），衬以奔腾的黄河和黄土高原巨幅照片，引导观众去领略由黄土、黄河孕育出的古老文明。
陕西历史博物馆的基本陈列为陕西古代文明，2008年正式开放，
陕西古代文明
陕西古代文明
以历史进程为线索，选取各时代的典型文物进行组合陈列，来揭示陕西地区古代社会文明发展状况。该陈列展出面积5051平方米，展线长1247米，在中央大厅，分上下两层，共三个展室，分为七个部分（史前；周；秦；汉；魏、晋、南北朝；隋、唐；宋、元、明、清）。
第一展馆：第一单元《人猿揖别》，距今115万年前的先民遗存，第二单元《凤鸣岐山》，西周王都的丰富遗迹，第三单元《东方帝国》，秦帝国以兵马俑为代表的文物；
第二展馆：第四单元《大汉雄风》，汉都长安、汉家陵阙和典型汉代文物，第五单元《冲突融合》，陕西民族大融合、佛教东渐丰富的文化遗存及宗教文物；
第三展馆：第六单元《盛唐气象》，中国古代鼎盛时期隋唐时代典型遗存，第七单元《告别帝都》，展示唐以后作为西北区域中心的陕西。
鸳鸯莲瓣纹金碗
鸳鸯莲瓣纹金碗
基本陈列精选的2000余件珍贵文物包括：反映古代先民生活情景和艺术追求的丰富多姿的彩陶器皿，反映西周王都兴起与拥有的青铜器，反映秦扫六合统一天下的青铜剑、兵马俑等，以及显示秦汉建筑构件、大型瓦当，民族大融合文化遗存、佛教东渐的宗教文物，还有反映盛唐繁荣景象的唐代金银器和唐三彩等等，并配以遗址模型、图表、照片等辅助展品，系统展现自115万年前至1840年期间陕西地区的悠久古代历史和文化。由于中国古代社会周、秦、西汉、隋唐几个盛期都是在陕西地区建都的，所以该陈列以这几个时期为重点，反映了陕西地区古代文化，这几个时期中国社会经济文化发展的最高水平。
唐墓壁画馆收藏了近20座唐墓的壁画，总藏量约1000平方米。我国历代墓葬壁画，不论是出土数量还是艺术价值，首推唐墓，主要集中在唐都长安周围。由于墓室壁画采取从墓室中将厚度为0.5cm-1cm的画面揭取下来加以保存的异地保存形式，为妥善保护这批壁画真迹，在陕西历史博物馆建馆同时修建了一座现代化的壁画观摩库，对壁画进行收藏、保管，同时便于研究和对外开放。唐墓壁画真品展每周部分时间对外开放。可观赏国宝级和一级品壁画十余幅，其中主要有章怀太子墓出土的马球图、狩猎出行图、客使图、懿德太子墓出土的阙楼图、仪仗图、宫女图等。