โบราณวัตถุ ศิลปวัตถุ ของแต่ละยุคสมัยที่ได้จากการสำรวจ ขุดค้นแหล่งโบราณคดีและจากการขุดแต่ง บูรณะโบราณสถาน ภายในเขตจังหวัดกำแพงเพชรเป็นหลัก พร้อมคำบรรยาย ภาพถ่าย ภาพลายเส้น แผนที่และแผนผังประกอบการนำเสนอ ตัวอาคารพิพิธภัณฑสถานเป็นอาคารทรงไทยประยุกต์สองชั้น ภายในอาคารมีนิทรรศการถาวรจัดแสดงให้ประชาชนชมดังนี้ ชั้นล่าง : จัดแสดงเรื่องพัฒนาการทางประวัติศาสตร์ของจังหวัดกำแพงเพชร ตั้งแต่สมัยก่อนประวัติศาสตร์เรื่อยมาจนถึงสมัยรัตนโกสินทร์ เริ่มจากสภาพภูมิศาสตร์และทรัพยากรธรรมชาติที่เอื้ออำนวยต่อการตั้งถิ่นฐานและดำรงชีพของมนุษย์ ชุมชนตั้งเดิมสมัยก่อนประวัติศาสตร์ประมาณ 2,500 - 1,500 ปีมาแล้ว ความสำคัญของเมืองโบราณต่างๆในช่วงพุทธศตวรรษที่ 19 - 20 เช่น นครชุม ไตรตรึงษ์ เทพนคร โกสัมพี คณฑี และบางพาน กำแพงเพชรในฐานะเป็นท้องที่ของที่ตั้งเมืองบริวารทางทิศตะวันตกของกรุงสุโขทัย กำแพงเพชรในฐานะเมืองเจ้าพระยามหานคร หัวเมืองชั้นโท ชุมทางการค้าและเมืองหน้าด่านของกรุงศรีอยุธยา กรุงธนบุรีและกรุงรัตนโกสินทร์ตามลำดับ จนกระทั่งมาเป็นจังหวัดกำแพงเพชรในปัจจุบัน โบราณวัตถุที่สำคัญและน่าสนใจในอาคารพิพิธภัณฑสถานชั้นล่าง ได้แก่ เครื่องมือหินขัดแบบต่างๆ ภาชนะดินเผาเนื้อหยาบตกแต่งลายขูดขีด ลายเชือกทาบและแบบมีสันที่กลางตัวภาชนะ คล้ายกับที่พบในแหล่งโบราณคดีถ้ำเขาสามเหลี่ยม จังหวัดกาญจนบุรี จากแหล่งโบราณคดีเทือกเขากะล่อน บ้านหาดชะอม ตำบลป่าพุทรา อำเภอขาณุวรลักษบุรี กำหนดอายุประมาณ 2,500 - 1,500 ปีมาแล้ว ชิ้นส่วนตะเกียงดินเผาแบบโรมัน แวดินเผาซึ่งเป็นอุปกรณ์ในการปั่นด้าย ตะคันดินเผาสำหรับจุดไฟให้แสงสว่าง เครื่องประดับอาทิ กำไลและลูกปัดหิน ลูกปัดแก้วสีต่างๆ เครื่องมือเครื่องใช้ทำด้วยเหล็ก สำริดและชิน จากแหล่งชุมชนโบราณร่วมสมัยทวารวดี ประมาณก่อนพุทธศตวรรษที่ 18 ที่ตำบลไตรตรึงษ์ อำเภอเมืองกำแพงเพชร บ้านคลองเมือง บ้านลานดอกไม้และบ้านโกสัมพี อำเภอโกสัมพีนคร เครื่องสังคโลกแบบสุโขทัย มีทั้งที่เป็นภาชนะและตุ๊กตา ภาชนะดินเผาเนื้อแกร่งไม่เคลือบแบบอยุธยา เครื่องถ้วยลายครามแบบจีน และภาชนะสำริด ซึ่งพบระหว่างการขุดแต่งและบูรณะโบราณสถานต่างๆ ในและนอกเขตเมืองเก่ากำแพงเพชร กำหนดอายุอยู่ในช่วงพุทธศตวรรษที่ 21 - 22 เงินตามสมัยอยุธยาและรัตนโกสินทร์ เครื่องมือและเครื่องใช้สมัยรัตนโกสินทร์ ได้รับมอบจากหน่วยงานราชการและเอกชนในจังหวัดกำแพงเพชร เช่น เครื่องถ้วยเบญจรงค์ เครื่องทองเหลือง ตะเกียงเจ้าพายุ เครื่องชั่งตวงวัดแบบจีน เครื่องแก้ว เครื่องหนัง ปืนและนาฬิกาแบบตะวันตกหรือยุโรป หม้อดินเผาแบบมอญหรือพม่า ซี่งสามารถสะท้อนถึงความเปลี่ยนแปลงทางสังคมและเศรษฐกิจของเมืองกำแพงเพชรได้เป็นอย่างดี ชั้นบน : จัดแสดงประติมากรรมศิลปะสุโขทัยและศิลปะอยุธยาที่พบในจังหวัดกำแพงเพชรและจังหวัดใกล้เคียง เช่น สุโขทัย ประกอบด้วยรูปเคารพในพระพุทธศาสนา ซึ่งส่วนใหญ่เป็นพระพุทธรูป พระพิมพ์และแม่พิมพ์พระ เทวรูปในศาสนาพราหมณ์ ภาพดินเผาและปูนปั้นประดับโบราณสถาน ส่วนประกอบสถาปัตยกรรม อาทิ ปั้นลมและช่อฟ้าสังคโลก กระเบื้องเชิงชาย กระเบื้องมุงหลังคาและบราลี โบราณวัตถุที่สำคัญและน่าสนใจในอาคารพิพิธภัณฑสถานชั้นบน ได้แก่ เทวรูปพระอิศวรหรือพระศิวะ ศิลปะอยุธยา หล่อด้วยสำริด สูง 210 เซนติเมตร ที่ฐานมีจารึกอักษรไทยแบบสุโขทัย ภาษาไทยความว่า เจ้าพระยาธรรมาโศกราช เจ้าเมืองกำแพงเพชรประดิษฐานเทวรูปองค์นี้เมื่อพุทธศักราช 2053 เพื่อให้คุ้มครองสัตว์สี่ตีน สองตีนในเมืองกำแพงเพชรและเพื่อถวายเป็นพระราชกุศลแด่ "พระเจ้าอยู่หัวทั้งสองพระองค์" (หมายถึงสมเด็จพระรามาธิบดีที่ 2 กับพระอาทิตย์วงศ์ที่ได้รับการสถาปนาเป็นพระมหาอุปราชในเวลาต่อมา) เทวรูปพระนารายณ์หรือพระวิษณุ และเทวสตรี อาจเป็นพระอุมาชายาพระอิศวรหรือพระลักษมีชายาพระนารายณ์ ศิลปะสุโขทัยหล่อด้วยสำริด ชำรุดเหลือเพียงส่วนพระองค์ เดิมประดิษฐานคู่กับพระอิศวรที่ศาลพระอิศวร เศียรพระพุทธรูปปูนปั้น ศิลปะสุโขทัย สกุลช่างกำแพงเพชร (พุทธศตวรรษที่ 20 - 21) สูง 90 เซนติเมตร พบที่วัดช้าง (วัดนาควัชรโสภณ) อำเภอเมืองกำแพงเพชร ลักษณะพระพักตร์รูปไข่ยาว พระหนุเสี้ยม พระเนตรเหลือบลงต่ำ พระนาสิกโด่ง พระโอษฐ์บาง ขมวดพระเกศารูปก้นหอยสูงแหลม นับเป็นเอกลักษณ์ของศิลปะสกุลช่างกำแพงเพชรโดยเฉพาะ พระพุทธรูปปางมารวิชัย สกุลช่างกำแพงเพชร (พุทธศตวรรษที่ 20 -21) หล่อด้วยสำริด หน้าตักกว้าง 28.5 เซนติเมตร สูง 46.5 เซนติเมตร มีสภาพสมบูรณ์ ขุดพบที่วัดพระธาตุในเมืองเก่ากำแพงเพชร ใบเสมาหินชนวน ศิลปะอยุธยา (พุทธศตวรรษที่ 21 - 22) สูง 245 เซนติเมตร กว้าง 74 เซนติเมตร ย้ายมาจากวัดพระนอนในเขตอรัญญิกนอกเมืองเก่ากำแพงเพชร บริเวณอกเสมาเหล่านี้มีลายจำหลักฝีมือประณีตงดงามเช่น รูปเทพนม ภาพจับรามเกียรติ์ และช้าง อยู่ท่ามกลางลายพันธุ์พฤกษา ภาพปูนปั้นประดับฐานเจดีย์วัดพระแก้วในเมืองเก่ากำแพงเพชร ประกอบด้วยรูปยักษ์ นาค และโดยเฉพาะเทพหรือเทวดา ที่แสดงให้เห็นลักษณะเครื่องทรง ถนิมพิมพาภรณ์ รวมทั้งเครื่องประกอบยศของชนชั้นสูงในสมัยอยุธยา (ประมาณพุทธศตวรรษที่ 21 - 22) ภาพดินเผาประดับฐานเจดีย์วัดช้างรอบในเขตอรัญญิก นอกเมืองเก่ากำแพงเพชร ประกอบด้วยรูปนางอัปสรรำ กินรี ยักษ์ ครุฑ และหงส์ ทำขึ้นในสมัยอยุธยา (ประมาณพุทธศตวรรษที่ 21 - 22) มีความอ่อนช้อยสวยงามยิ่ง นอกจากนี้ ยังมีโบราณศิลปวัตถุขนาดใหญ่อีกส่วนหนึ่ง จัดแสดงอยู่ภายนอกอาคารพิพิธภัณฑสถาน หรือกลางแจ้ง โบราณวัตถุที่สำคัญและน่าสนใจ ได้แก่ ปืนใหญ่สำริด ขุดพบบริเวณวงเวียนต้นโพธิ์เชิงสะพานกำแพงเพชร ตำบลในเมือง อำเภอเมืองกำแพงเพชร บนตัวปืนทุกกระบอกที่พบมีคำจารึกภาษาไทยว่า "ใหญ่ชวา" และบอกน้ำหนักกระสุนดินดำที่จะใช้ด้วย สันนิษฐานว่า พ่อค้าบริษัทตะวันออกไกลของฮอลันดา ซึ่งได้สัมปทานค้าหนังกวางในเมืองกำแพงเพชรสมัยอยุธยา ประมาณพุทธศตวรรษที่ 22 เป็นผู้นำปืนมาขายให้เจ้าเมืองกำแพงเพชร ซึ่งขณะนั้นฮอลันดา ได้ชวาหรืออินโดนีเซียปัจจุบันเป็นเมืองขึ้น ปืนเหล่านี้จึงอาจหล่อหรือมาจากชวา โอ่งสังคโลกเคลือบสีน้ำตาล ศิลปะสุโขทัย (พุทธศตวรรษที่ 19 - 20) ได้จากวัดช้าง (วัดนาควัชรโสภณ) อำเภอเมืองกำแพงเพชร สูง 105 เซนติเมตร ปากกว้าง 34 เซนติเมตร สิงห์นั่งปูนปั้น ศิลปะอยุธยา (พุทธศตวรรษที่ 21 - 22) ได้จากวัดช้าง (วัดนาควัชรโสภณ) อำเภอเมืองกำแพงเพชร ฐานส้วมศิลาแลง พบขณะขุดแต่งบริเวณวัดอาวาสใหญ่ ในเขตอรัญญิกนอกเมืองเก่ากำแพงเพชร เป็นชิ้นส่วนสถาปัตยกรรมที่เกี่ยวข้องกับพระวินัยของสงฆ์ในพระพุทธศาสนา