แบ่งการจัดแสดงออกเป็น 3 ส่วน ส่วนที่ 1 อาคารจัดแสดงชั้นบน จัดแสดงเรื่องพัฒนาการของสังคมในดินแดนแถบภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนล่าง แสดงถึงรากฐานการกำเนิดอารยธรรมซึ่งมีที่มาจากความเชื่อต่างๆ ตลอดจนอิทธิพลวัฒนธรรมภายนอกที่เข้ามามีบทบาทตั้งแต่สมัยก่อนประวัติศาสตร์จนถึงปัจจุบัน แบ่งเป็นห้องต่างๆ ดังนี้ 1. รากฐานวัฒนธรรม 2. ชุมชนแรกเริ่ม 3. อิทธิพลวัฒนธรรมเขมร 4. สุดท้ายแห่งสายวัฒนธรรมเขมร 5. อีสานดินแดนภาคตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศไทย ส่วนที่ 2 อาคารจัดแสดงชั้นล่าง จัดแสดงโบราณวัตถุร่วมสมัยศิลปะเขมร โบราณคดีและประวัติศาสตร์พิมาย กล่าวถึงกำเนิดเมือง การสร้างพุทธสถานประจำเมือง หลักฐานร่องรอยความเจริญด้านสังคม วัฒนธรรม เศรษฐกิจ โดยศึกษาจากหลักฐานต่างๆ ที่พบในพิมายและจังหวัดใกล้เคียง โบราณวัตถุที่สำคัญ อาทิ ประติมากรรมรูปพระเจ้าชัยวรมันที่ 7 เครื่องถ้วยลพบุรีร่วมสมัยศิลปะเขมรและเครื่องทองประดับเทวรูปจากปราสาทบ้านถนนหัก อำเภอหนองบุนนาก จังหวัดนครราชสีมา แบ่งเป็นห้องต่างๆ ดังนี้ 1. พิมาย 2. ทับหลัง 3. สังคมวัฒนธรรมในอดีต 4. การอนุรักษ์วัฒนธรรมอีสาน ส่วนที่ 3 อาคารจัดแสดงกลางแจ้ง จัดแสดงโบราณวัตถุซึ่งเป็นส่วนประกอบสถาปัตยกรรมหินทราย อาทิ ทับหลัง หน้าบัน เสาประดับกรอบประตู กลีบขนุน บัวยอดปราสาท และปราสาทจำลอง ที่พบจากโบราณสถานในเขตภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนล่าง นอกจากนี้บริเวณรอบอาคารพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ พิมาย ยังได้จัดแสดงใบเสมาและทับหลังที่สวยงามอีกด้วย