博物馆建在阳原县现成新区广场上，占地20亩，工程采用钢筋凝土框架结构，主体两层，局部三层，总建筑面积4623平方米。博物馆用大阶梯和塔的形式构成整体轮廓，体现泥河湾苍凉、雄浑拙朴的地貌特色。主体由主展馆和现场展馆两大部分组成，主展馆共两层，主要功能是对泥河湾遗址的复原和对出土文物的展出，现场展馆主要是对重要的遗址现场进行保护和展示。博物馆建筑结构上由文物展示储藏区、科研办公区和培训接待区三大块组成。博物馆外形看有大小不同的几个台体，形成连续的富于轮廓变化的台地式地貌，立面上运用虚实对比和不同体量的花岗岩块穿插组合，体现泥河湾所处的特殊地貌及泥河湾地层，并以高耸的“人”字形构筑物，预示着人类从泥河湾走来。整体形状的半圆形，象征古猿人的头盖骨化石，展示泥河湾的文化特色。
展示储藏区是博物馆的重点，主要设置地质地貌展厅、泥河湾文物展厅、泥河湾科普知识展厅、阳原通史展厅、专题展厅、音像放映厅六个厅，六个厅构成博物馆主体建设。各展厅采取环套结构相连，又各自分隔，自成体系。同时在主体建设中设计大型文物储藏室、资料档案室和文物修复室三个室。现场展馆作为博物馆的有机组成部分，重点对小长梁、虎头梁、侯家窑、马圈沟等重要遗址进行扣棚永久性保护和展示。
