จัดตั้งขึ้นเพื่อให้เป็นที่รวบรวม สงวนรักษา และจัดแสดงโบราณวัตถุ ศิลปวัตถุ ที่เป็นสมบัติทางวัฒนธรรมของชาติในเขตภาคอีสานตอนบน ซึ่งเป็นที่ที่พบโบราณสถานและโบราณวัตถุศิลปวัตถุเป็นจำนวนมาก มีส่วนจัดแสดงนิทรรศการและส่วนบริการ ดังนี้

ส่วนจัดแสดงที่ 1 : สมัยก่อนประวัติศาสตร์ จัดแสดงเรื่องราวในอดีตของจังหวัดขอนแก่นซึ่งเป็นแหล่งอารยธรรมสำคัญของภูมิภาคอีสาน จากหลักฐานทางโบราณคดีสามารถสรุปได้ว่า มีชุมชนโบราณตั้งถิ่นฐานอยู่ในเขตจังหวัดเป็นจำนวนมาก สามารถผลิตเครื่องมือเครื่องใช้และน่าจะมีการติดต่อกับชุมชนภายนอกที่อยู่ห่างไกลด้วย

ส่วนจัดแสดงที่ 2 : สมัยประวัติศาสตร์และวัฒนธรรมทวารวดี ประชากรที่อาศัยในแถบที่ราบลุ่มแม่น้ำชีได้รับอิทธิพลวัฒนธรรมทวารวดี ซึ่งอาจผ่านมาทางเมืองศรีเทพ ปรากฏการสร้างศาสนสถานทางพระพุทธศาสนา โดยเฉพาะใบเสามาหิน เป็นต้น

ส่วนจัดแสดงที่ 3 : วัฒนธรรมขอม จัดแสดงเรื่องราวของจังหวัดขอนแก่นและพื้นที่ภาคอีสานตอนบนเมื่อวัฒนธรรมขอมหรือเขมรโบราณบริเวณลุ่มแม่น้ำมูลได้แพร่กระจายเข้ามา ปรากฏจากศาสนสถานแบบเขมร ซึ่งมักสร้างเป็นอาคารประกอบด้วยศิลาแลงและศิลาทราย ตกแต่งด้วยภาพสลักของเทพเจ้าต่างๆ

ส่วนจัดแสดงที่ 4 : วัฒนธรรมล้านช้าง จัดแสดงเนื้อหาที่เกี่ยวข้องกับอิทธิพลของวัฒนธรรมล้านช้างแถบลุ่มแม่น้ำโขงและวัฒนธรรมล้านนา ดังปรากฏหลักฐานการพบพระพุทธรูปที่มีลักษณะแบบวัฒนธรรมล้านช้าง

ส่วนจัดแสดงที่ 5 : สมัยรัตนโกสินทร์ จัดแสดงเนื้อหาเกี่ยวกับการสร้างเมืองขอนแก่น ซึ่งได้เริ่มขึ้นในสมัยรัชกาลที่ 1 ต่อมาในสมัยรัชกาลที่ 6 โปรดเกล้าฯ ให้เปลี่ยนคำว่า “เมือง” เป็น “จังหวัด”

ส่วนจัดแสดงที่ 6 : ห้องศิลปวัฒนธรรมพื้นบ้านอีสาน จัดแสดงองค์ความรู้เกี่ยวกับวิถีชีวิต วัฒนธรรมและประเพณี ความเชื่อท้องถิ่น ของประชากรหลากเชื้อชาติที่อาศัย่วมกันในภูมิภาคอีสาน ปรากฏหลักฐานจากการแต่งกาย เครื่องมือเครื่องใช้ ที่อยู่ การดนตรีนาฏศิลป์ ซึ่งสะท้อนออกมาเป็นเอกลักษณ์ของประชาชนในพื้นที่