Hệ thống trưng bày của Bảo tàng tỉnh gồm 5 phòng với hơn 2000 hiện vật, hình ảnh được trưng bày theo tiến trình lịch sử từ thời kỳ đồ đá cũ đến đá mới. Trải qua các triều đại lịch sử đến Cách mạng tháng 8 năm 1945 thành công - nước Việt Nam dân chủ cộng hoà ra đời cho đến Đại thắng mùa xuân năm 1975 thống nhất đất nước.

Tiến trình lịch sử  được thể hiện ở 4 phòng trưng bày; “Thanh Hóa thời Tiền sử - Sơ sử; "Thanh Hóa từ thế kỷ X đến thế kỷ XIX"; “Truyền thống yêu nước và cách mạng Thanh Hoá, giai đoạn 1858 - 1945”; “Thanh Hoá trong sự nghiệp xây dựng và bảo vệ tổ quốc, giai đoạn 1945 -1975”. Nội dung giới thiệu từ văn hóa Núi Đọ, Văn hóa Đa Bút, Văn hóa Hoa Lộc đến Văn Hóa Đông Sơn; giới thiệu quá trình hình thành và phát triển của các triều đại phong kiến thông qua các dấu ấn, những sự kiện lịch sử quan trọng của Xứ Thanh - mảnh đất Việt Nam thu nhỏ; Thanh Hóa trong phong trào Cần vương chống Pháp cuổi thế kỷ XIX, nổi bật là Khởi nghĩa Ba Đình; Quá trình thành lập Đảng bộ tỉnh Thanh Hóa; Thanh Hóa trong kháng chiến chống Pháp, chống Mỹ cứu nước.

 Trưng bày chuyên đề có 1 phòng: “Trống đồng phát hiện ở Thanh Hoá”, giới thiệu sưu tập trống đồng đang lưu giữ, bảo quản, trưng bày tại Bảo tàng: Trống H1, H2, H3...

Sân vườn Bảo tàng trưng bày các tác phẩm nghệ thuật điêu khắc đá thời Trần – Lê – Nguyễn; Cụm hiện vật máy bay, pháo mặt đất thời kỳ chống Mỹ; Các hiện vật thể khối lớn khác…