ศิลปโบราณวัตถุที่จัดแสดงในพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ รามคำแหง ส่วนใหญ่เป็นศิลปะสุโขทัย ซึ่งเก็บรวบรวมจากการขุดค้น ขุดแต่งและบูรณะโบราณสถานบริเวณเมืองเก่าสุโขทัย ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2496 เป็นต้นมา บางส่วนได้จากบริเวณเมืองใกล้เคียง เช่น เมืองศรีสัชนาลัย กำแพงเพชร เพชรบูรณ์ และพิจิตร อีกส่วนหนึ่งเป็นของพระราชประสิทธิคุณ อดีตเจ้าอาวาสวัดราชธานี เจ้าคณะจังหวัดสุโขทัยและประชาชนมอบให้ ศิลปโบราณวัตถุที่จัดแสดงได้แก่ ศิลาจารึกสมัยสุโขทัย เครื่องถ้วยสังคโลก พระพุทธรูปแบบต่างๆ พระพิมพ์ที่ได้จากการขุดแต่งโบราณสถาน เทวรูป และอาวุธโบราณ ในปัจจุบัน พิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ รามคำแหง มีอาคารจัดแสดงนิทรรศการถาวร 2 หลัง ประกอบด้วย - อาคารลายสือไท เป็นอาคารชั้นเดียว จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับเมืองสุโขทัยในด้านต่างๆ ตั้งแต่สมัยก่อนการสถาปนาอาณาจักรสุโขทัยเรื่อยมาจนถึงการพัฒนาเมืองสุโขทัยให้เป็นอุทยานประวัติศาสตร์ นอกจากนี้ ภายในอาคารยังมีห้องประชุมสำหรับการสัมมนา บรรยายพิเศษ ส่วนบริการนักท่องเที่ยว ที่จำหน่ายหนังสือและของที่ระลึก - อาคารพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ รามคำแหง เป็นอาคารทรงไทย 2 ชั้น จัดแสดงศิลปโบราณวัตถุที่ได้จากการสำรวจ ขุดค้น ขุดแต่งและบูรณะแหล่งโบราณคดีสุโขทัย ศรีสัชนาลัย และจังหวัดใกล้เคียง โดยแบ่งการจัดแสดงเป็นกลุ่มสำคัญๆ ดังนี้ 1. ประติมากรรมปูนปั้นที่ได้จากวัดพระพายหลวงและวัดมหาธาตุ มีทั้งรูปบุคคล เทวดา และพระพุทธรูป ลักษณะโดยทั่วไปของพระพุทธรูปปูนปั้นจากวัดพระพายหลวง จะมีพระพักตร์ค่อนข้างกลม พระขนงโก่ง พระโอษฐ์เล็กบาง พระหนุเป็นปม ขมวดพระเกศาเป็นรูปก้นหอยเล็ก ชายผ้าสังฆาฏิจะพับทบกันหลายชั้น กำหนดอายุประมาณต้นพุทธศตวรรษที่ 19 ประติมากรรมจากวัดมหาธาตุ พระพักตร์จะเป็นรูปไข่ ขมวดพระเกศาเป็นรูปก้นหอย กำหนดอายุประมาณพุทธศตวรรษที่ 20 สำหรับรูปเทวดาหรือรูปบุคคลนั้น วัดพระพายหลวงจะมีพระพักตร์หรือใบหน้าค่อนข้างกลม แต่ของวัดมหาธาตุจะเป็นรูปไข่ 2. กลุ่มประติมากรรมก่อนศิลปะสุโขทัย ได้จากศาลตาผาแดง วัดพระพายหลวง วัดศรีสวาย จัดเป็นศิลปะลพบุรี กำหนดอายุประมาณพุทธศตวรรษที่ 18 3. ศิลปะสุโขทัยพุทธศตวรรษที่ 19 - 20 ศิลปะสุโขทัยเริ่มตั้งแต่พ่อขุนศรีอินทราทิตย์ประกาศตั้งกรุงสุโขทัยเป็นอิสระ เมื่อราว พ.ศ. 1780 ศิลปะสุโขทัยจัดได้ว่าเป็นศิลปะไทยที่งดงามที่สุด มีลักษณะเป็นของตนเองมากที่สุด โดยเฉพาะพระพุทธรูปที่มีลักษณะที่เด่นชัด คือ พระรัศมีเป็นเปลวเพลิง ขมวดพระเกศาเป็นก้นหอย พระพักตร์รูปไข่ พระขนงโก่ง พระนาสิกงุ้ม (ตามแบบบุรุษ) พระโอษฐ์อมยิ้มเล็กน้อย พระอังสาใหญ่ บั้นพระองค์เล็ก ครองจีวรยาวลงมาจรดพระนาภี ปลายจีวรเป็นลายเขียวตะขาบ ในสมัยสุโขทัยยังนิยมทำพระพุทธรูปสี่อิริยาบทคือ ยืน เดิม นั่ง และนอน 4. ศิลปะอู่ทอง ประติมากรรมรูปเคารพเนื่องในพุทธศาสนา มีทั้งปูนปั้นและสำริด ได้พบพระพุทธรูปในศิลปะอู่ทองตามวัดต่างๆ ในเมืองสุโขทัย สร้างขึ้นเมื่อประมาณราวพุทธศตวรรษที่ 20 อันเป็นช่วงเวลาที่ปรากฎหลักฐานเป็นลายลักษณ์อักษรถึงความเกี่ยวดองเป็นเครือญาติ ระหว่างราชวงศ์สุโขทัยบางส่วนกับราชวงศ์สุพรรณภูมิ ลักษณะโดยทั่วไปของพระพุทธรูปศิลปะอู่ทอง พระพักตร์เป็นรูปสี่เหลี่ยม มีเส้นไรพระศกหนา ขมวดพระเกศากลมเล็กคล้ายหนามขนุน พระอุษณีษะเป็นรูปมะนาวตัด พระรัศมีเป็นรูปเปลวเพลิง 5. ศิลปะอยุธยา พระพุทธรูปที่จัดแสดงลักษณะโดยทั่วไปยังคงมีอิทธิพลของศิลปะสุโขทัย พระพักตร์รูปไข่ มีเส้นไรพระศกเล็ก ขมวดพระเกศาเป็นรูปก้นหอยเล็ก พระขนงโก่ง พระเนตรเหลือบต่ำ พระนาสิกโด่ง พระโอษฐ์เล็กบาง นอกจากนี้ ในระยะหลังนิยมสร้างทรงเครื่อง กำหนดอายุประมาณพุทธศตวรรษที่ 20 - 23 6. เครื่องถ้วยจีน ได้จากการขุดแต่งโบราณสถานในเมืองสุโขทัย พบทั้งสมัยราชวงศ์หยวน ราชวงศ์หมิง และชิง 7. เครื่องถ้วยสังคโลกจากแหล่งเตาทุเรียง เมืองสุโขทัย เตาป่ายาง และเตาเกาะน้อย เมืองศรีสัชนาลัย รูปแบบภาชนะเป็นแบบถ้วย กระปุก โถ แจกัน ชาม จาน คนโฑ กาน้ำ ตลับ รวมไปถึงตุ๊กตา และเครื่องประดับสถาปัตยกรรมที่มีลักษณะต่างๆ น้ำยาเคลือบมีทั้งประเภทเคลือบสีเขียวหรือเซลาดอน เคลือบสีน้ำตาล เคลือบขาวหม่นหรือขาวน้ำนม เคลือบใสเขียนลายใต้เคลือบ และประเภทเคลือบสองสีคือขาวและน้ำตาล เป็นต้น 8. พระพิมพ์ มีทั้งพระพิมพ์ดินเผาและเนื้อชิน ได้จากวัดพระพายหลวง วัดมหาธาตุ และวัดป่ามะม่วง เป็นต้น 9. ส่วนจัดแสดงกลางแจ้ง พิพิธภัณฑ์ฯ ได้นำโบราณวัตถุบางส่วนจัดแสดงกลางแจ้ง เช่น ใบเสมาหินชนวน ทับหลังหินทราย ฐานประติมากรรมหินทราย ระฆังหิน ลูกกรงที่ทำเป็นเครื่องเคลือบ สังคโลกจากวัดมังกร เตาเผาเครื่องถ้วยสังคโลก (จำลอง) และช้างปูนปั้นซึ่งจำลองมาจากวัดช้างล้อมเมืองสุโขทัย วัดช้างล้อมเมืองศรีสัชนาลัย และวัดช้างรอบเมืองกำแพงเพชร อีกส่วนหนึ่งได้จัดแสดงเครื่องมือเครื่องใช้ที่เป็นลักษณะศิลปะพื้นบ้านสุโขทัย