建館以來，通過考古發掘、征集和捐贈，共收集歷史文物82000余件，其中精品歷史文物3000余件，國寶16件(組)，國家壹級文物720余件(組)。東漢的青銅奔馬和魏晉的“郵圖”已分別被定為國家旅遊和郵電的標誌。其中，黃河古象化石是中國已知最大的古象化石，也是世界上最完整的劍齒象骨骼化石。還有亞洲已知最大的蜥腳類恐龍——合川馬門溪龍古生物化石標本。館內有各種新石器時代彩陶和石窟藝術珍品，展示了甘肅7000-3000多年的彩陶發展體系。珍貴的絲麻織物、卷軸文書、木器、漆器、青銅器、大量漢簡和長城文物，以及青銅車馬、金銀遺物棺槨、西夏文字和文物、天梯山石窟造像和壁畫，不僅生動再現了當年開辟和保衛“絲綢之路”的情景，還充分展示了不同歷史時期多民族地區的圖景。在博物館裏，還有壹個完整的黃河古象化石的復制品，長8米，高4米。代表藏品永樂鎏金菩薩:明代，塑像高20.3厘米。這座雕像戴著皇冠，梳著發髻。菩薩臉盤寬闊，眼睛下垂，面容慈祥。戴絲巾，胸前有流蘇裝飾，服裝線條流暢美觀。下裙寬大貼身，系在壹個深腰的蓮花座上。蓮花座底部鐫刻著“大明永樂年”的銘文，這應該是明朝朝廷給西北藏傳佛教領袖的貢品。菩薩像整體結構對稱，雕刻精致脫俗。雖然仍保留了元代以來夏嫣“梵像”的影響，但其造型已趨於嫵媚，標誌著中國藏傳佛教藝術在內地的成熟，是耐人尋味的瑰寶。多道三角紋彩陶缸有底:齊家文化，蘭州市八裏窯崖頭出土，直徑9.5厘米，高22厘米；甘肅省博物館收藏。橙黃帶砂陶器，通體施紫紅色。在嘴巴內外各畫壹圈倒三角網格，把耳朵折起來，在腹部兩側畫多個三角網格，用平行線把各層隔開，在腹部兩側畫菱形網格。圖案都是由平行線組成，復雜但不混亂。葫蘆形網狀彩陶壺:蘭州市花寨子出土的馬家窯文化中級類型(距今4500年)，高46.7厘米，口徑12.2厘米，底徑16.8厘米。塗上紅黑兩色，在脖子上畫壹個網紋，在肩膀和腹部畫六組葫蘆形網紋，用鋸齒紋裝飾。旋渦彩陶壺:馬家窯文化中級型(距今4500年)，蘭州市花寨子出土，高22.5厘米，口徑14.1厘米，底徑10.6厘米。罐體塗以紅黑兩色，口沿塗以內彩，橫、豎平行條紋相間排列，腹部塗以五組紅黑相間的顏色。彩繪木博俑:西漢武威市莫嘴子陵出土，高29厘米。兩位老人在玩博戲，博戲是從戰國到漢代非常流行的娛樂形式。匠人以簡潔明快的藝術造型，刻畫了兩位老人全神貫註於其中的遊戲場景，生動展現了蓄勢待發的場景。銅奔馬，出土於東漢武威市雷臺漢墓，高34.5厘米，長45厘米，寬13.1厘米，重7.3公斤..造型渾厚細膩，昂首嘶鳴，雙腳飛奔。塑造者捕捉到了三組奔馬飛奔，壹腳超越飛鳥的瞬間。帛末平繡畫像:高7.2厘米，西漢武威市磨子子漢墓出土。在紅色絲綢背景上，用深紅色、淺綠色、淺黃色和黑色絲線繪制的兩個平繡形象用於對話。