泥河灣博物館位于陽原縣城新區(qū)泥河灣文化廣場，占地20畝，主體二層，局部三層，長91米，寬53米，高17米，建筑面積4623平方米，總投資4100萬元，屬國家中型展館，是我省目前唯一，也是全國規(guī)模最大的舊石器專題博物館，可滿足5萬余件出土文物的陳列展示。博物館平面呈半圓弧形，面向東北，30米高的“人”字型標志柱高高矗立，象征著東方人類從泥河灣走來，在外墻墻面上分布著的條帶花崗巖，代表泥河灣標準地層。
泥河灣博物館展廳面積2145平方米，展廳的500余米長展線分序言廳、四個主展廳、一個臨時展廳，主要展現(xiàn)泥河灣標準地層、泥河灣古湖、馬圈溝舊石器時代早期人類餐食大象、侯家窯舊石器時代中期人類獵馬、虎頭梁舊石器時代晚期細石器制造工廠及于家溝舊石器時代晚期采集業(yè)與農(nóng)業(yè)萌芽等部分場景。同時采用繪畫、雕塑及聲、光、電等現(xiàn)代化科技手段，全景展現(xiàn)200萬年前至一萬年前泥河灣古人類狩獵、采集、用火、進食和制造工具的生產(chǎn)生活場面。該博物館分六個展區(qū)，各展廳采取環(huán)套結構相連，又各自分隔，自成體系。同時在主體建設中設計了大型文物儲藏室、資料檔案室和文物修復室。該館不論在建筑規(guī)模和藏品數(shù)量等方面均屬前列，與云南元謀人、北京周口店等國家級博物館一并成為世界考古科研基地。另外，在泥河灣遺址群內(nèi)還將建設現(xiàn)場展覽館，作為博物館的有機組成部分，重點對小長梁、虎頭梁、侯家窯、馬圈溝等重要遺址進行扣棚永久性保護展覽，再現(xiàn)古人類生活場景。
舊石器時代，是人類開始出現(xiàn)的時代，以打制石器為工具，人類的體質(zhì)具有原始的特征，遺存與若干絕滅動物共存，地質(zhì)時代屬于更新世，從距今250萬年前開始延續(xù)到距今1萬年前為止。
該展區(qū)對馬圈溝、小長梁、東谷坨、岑家灣、飛梁等遺址進行復原。在展示時以當時自然環(huán)境和人類活動的壁畫與文物標本相呼應，展現(xiàn)人類制造工具和使用工具的情景。采用繪景與真品結合的方式展出展品，挖空畫中人群拿武器的手部，放置真實的文物標本。突破一般博物館的陳列的定式，使觀眾直接了解遙遠而陌生的石器是如何制造和使用的。
在展示的同時滾動播出馬圈溝遺址發(fā)掘攝像資料與飛梁遺址發(fā)掘現(xiàn)場錄像。
在北京中華世紀壇象征中華民族歷史長河262米的青銅甬道第一級臺階上，鐫刻了泥河灣小長梁遺址的名字，微縮復原世紀壇。