การจัดแสดงในพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ ขอนแก่น แบ่งออกเป็น 3 ส่วน
ส่วนที่ 1 อาคารจัดแสดงส่วนหน้า ชั้นล่างและชั้นบน จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับลักษณะทางภูมิศาสตร์ ธรณีวิทยาใน
ภาคตะวันออกเฉียงเหนือ จัดแสดงหลักฐานทางโบราณคดีที่แสดงเรื่องราวและพัฒนาการทางด้านประวัติศาสตร์
และโบราณคดี ตั้งแต่สมัยก่อนประวัติศาสตร์ การตั้งถิ่นฐาน ประเพณี สังคม ศาสนา การรับอิทธิพลทางศิลปะ พัฒนาการของเมืองและชุมชนในภาคตะวันออกเฉียงเหนือ ตลอดจนพัฒนาการทางศิลปะในประเทศไทย
ส่วนที่ 2 อาคารจัดแสดงส่วนหลัง จัดแสดงโบราณวัตถุ ศิลปวัตถุ ประเภทใบเสมาและประติมากรรมศิลา ตลอดจนแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับประเพณี วิถีชีวิต ความเชื่อ เครื่องมือเครื่องใช้พื้นบ้านที่แสดงถึงภูมิปัญญาของกลุ่มชนใน ภาคตะวันออกเฉียงเหนือ
ส่วนที่ 3 อาคารโรงเก็บใบเสมาและการจัดแสดงภายนอกอาคาร จัดแสดงใบเสมา ใบเสมาศิลาจารึก ชิ้นส่วนประติมากรรมหินทรายและส่วนประกอบสถาปัตยกรรมหินทรายที่พบในเขตภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน โดยมีรายละเอียดดังนี้
1. อาคารพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ ขอนแก่น จัดแสดงทั้งหมด 7 ส่วน คือ
1.1 ห้องก่อนประวัติศาสตร์ (ชั้น 1)
1.2 ห้องประวัติศาสตร์ : ทวารวดี (ชั้น 1)
1.3 ห้องประวัติศาสตร์ : ลพบุรี (ชั้น 2)
1.4 ห้องประวัติศาสตร์ : ล้านช้าง (ชั้น 2)
1.5 ห้องประวัติศาสตร์ : รัตนโกสินทร์ ประวัติเมืองขอนแก่น (ชั้น 2)
1.6 ระเบียงอาคารจัดแสดง : กลุ่มประติมากรรมศิลาและใบเสมา
1.7 ห้องศิลปวัฒนธรรมพื้นบ้านอีสาน (ชั้น 1 ด้านหลังปีกทิศตะวันตก)
แบ่งหัวข้อการจัดแสดงได้ดังนี้
1. ประวัติและวิวัฒนาการ
1.1 สมัยก่อนประวัติศาสตร์
จัดแสดงในหัวข้อ การตั้งถิ่นฐาน สังคมและการดำรงชีวิต เครื่องมือเครื่องใช้ที่ทำด้วยหินและโลหะ ประเพณีฝังศพ ศิลปะถ้ำ แหล่งโบราณคดีที่สำคัญ แหล่งโบราณคดีบ้านสร้างดู่ แหล่งโบราณคดีโนนนกทา แหล่งโบราณคดีโนนชัย แหล่งโบราณคดีบ้านโนนเมืองและแหล่งโบราณคดีบ้านเชียง
1.2 สมัยประวัติศาสตร์
ห้องประวัติศาสตร์ทวารวดี ชั้น 1 จัดแสดงในหัวข้อ สถาปัตยกรรม อักษรจารึก ประติมากรรมปูนปั้น ศาสนาและความเชื่อ เสมาหิน อิทธิพลวัฒนธรรมทวารวดี พระพิมพ์ทวารวดี เมืองฟ้าแดดสงยาง
ห้องประวัติศาสตร์ศิลปะในประเทศไทย ชั้น 2 จัดแสดงในหัวข้อ อีสานในสมัยลพบุรี เมืองและชุมชน ศาสนาและความเชื่อ แผนที่แสดงที่ตั้งโบราณสถานที่สำคัญ ในภาคตะวันออกเฉียงเหนือ อิทธิพลวัฒนธรรมเขมร เครื่องปั้นดินเผา
พระพุทธรูปตั้งแต่สมัยล้านช้างจนถึงสมัยรัตนโกสินทร์ งานศิลปกรรมเนื่องในพระพุทธศาสนา และตัวอย่างเครื่องใช้ที่พบในแถบภาคตะวันออกเฉียงเหนือ
ห้องประวัติศาสตร์ขอนแก่น ชั้น 2 จัดแสดงในหัวข้อ การตั้งเมืองขอนแก่น การย้ายเมืองขอนแก่น ความสัมพันธ์
ระหว่างเมืองขอนแก่นกับศูนย์กลางอำนาจกรุงเทพ
ห้องศิลปวัฒนธรรมพื้นบ้านอีสาน (ชั้น 1 ปีกด้านหลังทิศตะวันตก)
1. ประเพณี วิถีชีวิต จัดแสดงในหัวข้อ อีสานยุควัฒนธรรมไทย - ลาว กลุ่มชนในภาคอีสาน ประเพณีสำคัญในภาคอีสาน งานเทศกาลไหมและประเพณีผูกเสี่ยว ขอนแก่นแดนดนตรี โปงลางและเรือนอีสาน
2. ภูมิปัญญา จัดแสดงในหัวข้อ ผ้าพื้นเมืองอีสาน เครื่องมือในการผลิตเส้นด้าย ศาสนาและประเพณีความเชื่อ
ครัวไฟ เครื่องมือในการดักจับสัตว์น้ำและเครื่องมือทำนา
2. โรงเก็บใบเสมา
จัดแสดงใบเสมา ใบเสมาศิลาจารึก ชิ้นส่วนประติมากรรมหินทรายและส่วนประกอบสถาปัตยกรรมหินทรายที่พบในเขตภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน และจัดแสดงกลุ่มใบเสมาที่ได้จากการสำรวจและขุดค้นในเขตภาคตะวันออกเฉียงเหนือ
ภายนอกอาคารจัดแสดง
โบราณวัตถุ ศิลปวัตถุ
โบราณวัตถุในพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ ขอนแก่น สามารถแบ่งออกตามอายุสมัยได้เป็น โบราณวัตถุสมัยก่อนประวัติ
ศาสตร์ สมัยทวารวดี สมัยลพบุรี สมัยล้านช้าง (ศิลปะลาว) สมัยรัตนโกสินทร์และวัตถุทางชาติพันธุ์ ใช้ในการจัดแสดงจำนวน 508 รายการ และเก็บรักษาในห้องคลังจำนวน 5,561 รายการ
ประเภทสิ่งของที่จัดแสดง / วัตถุที่เก็บรวบรวม
1. โบราณวัตถุ ได้แก่ ภาชนะดินเผา โครงกระดูก เครื่องมือเครื่องใช้และเครื่องประดับที่ทำจากหิน โลหะประเภทสำริด
เหล็ก ดินเผา ปูนปั้นประดับสถาปัตยกรรม ใบเสมา พระพุทธรูป พระพิมพ์ เครื่องใช้และเงินตรา
2. ศิลปวัตถุ ได้แก่ เครื่องมือการเกษตร เครื่องมือประมง เครื่องมือทอผ้า เครื่องใช้ในชีวิตประจำวัน เครื่องแต่งกายและผ้าทอ เครื่องดนตรี เครื่องไม้ เครื่องจักรสาน เครื่องใช้เนื่องในศาสนา เอกสารโบราณ อาวุธของใช้ของอดีตเจ้าเมืองขอนแก่น
3. สิ่งของจำลอง/ทำเทียม โดยจัดทำทะเบียนโบราณวัตถุ ศิลปวัตถุ ตามรูปแบบที่สำนักพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ
กำหนดและจัดทำบัญชีกรณีวัตถุนั้นไม่ได้ทำทะเบียน วัตถุส่วนหนึ่งคัดเลือกมาเพื่อจัดแสดง