การจัดแสดงนิทรรศการถาวรภายในอาคาร จะเน้นเรื่องราวของท้องถิ่นตามวัตถุประสงค์ของการจัดตั้งพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติแห่งนี้ของกรมศิลปากร ที่ต้องการตอบสนองความต้องการของชุมชนในพื้นที่จังหวัดราชบุรี ใช้เป็นศูนย์ศึกษาอนุรักษ์ และเผยแพร่ความรู้ความเข้าใจทางด้านศิลปวัฒนธรรมของชาติ ตามแนวทางการพัฒนากิจการพิพิธภัณฑสถานสมัยใหม่ โดยจัดแสดงทั้งทางด้านธรณีวิทยา โบราณคดี ประวัติศาสตร์ ประวัติศาสตร์ศิลปะ วัฒนธรรมพื้นบ้าน ชาติพันธุ์วิทยา และแหล่งท่องเที่ยวด้านวัฒนธรรมและธรรมชาติที่สำคัญของจังหวัด ซึ่งได้แบ่งเรื่องราวออกตามลักษณะของห้องจัดแสดงรวมทั้งสิ้น 10 ห้องจัดแสดง ดังนี้ ห้องจัดแสดงที่ 1 (ธรณีวิทยา) จัดแสดงแหล่งกำเนิดทรัพยากรธรรมชาติประเภทดิน หิน แร่ และรูปจำลองด้านภูมิประเทศของจังหวัดราชบุรีและจังหวัดใกล้เคียง (กาญจนบุรีและเพชรบุรี) โดยมีตัวอย่างของซากดึกดำบรรพ์ หิน แร่ อัญมณี และการใช้ประโยชน์จากทรัพยากรธรรมชาติที่มีกำเนิดในจังหวัดราชบุรีจัดแสดงประกอบ ห้องจัดแสดงที่ 2 (ก่อนประวัติศาสตร์) จัดแสดงร่องรอยหลักฐานของมนุษย์ในยุคแรกๆ ที่มีการตั้งถิ่นฐานอยู่อาศัยในบริเวณจังหวัดราชบุรี โดยใช้โบราณวัตถุที่พบในจังหวัด เป็นต้นว่า เครื่องมือหิน และโลหะ ภาชนะดินเผา กลองมโหระทึก เครื่องประดับจากหินสีและโลหะ และโครงกระดูกมนุษย์ ประกอบคำบรรยาย สะท้อนให้เห็นถึงการดำรงชีพ และการติดต่อสัมพันธ์กับชุมชนภายนอก ทั้งดินแดนใกล้เคียงและดินแดนที่อยู่ไกลออกไป (เช่น จีน อินเดีย ฯลฯ) ห้องจัดแสดงที่ 3 (ทวารวดี) จัดแสดงร่องรอยของวัฒนธรรมทวารวดีที่พบในจังหวัดราชบุรี ในช่วงพุทธศตวรรษที่ 11 - 15 โดยเฉพาะเรื่องราวของเมืองโบราณคูบัวและเทือกเขางูที่เป็นที่รู้จักกันดี ซึ่งการจัดแสดงมีทั้งการใช้โบราณวัตถุ คำบรรยาย และรูปจำลองฐานโบราณสถานสำคัญของเมืองโบราณคูบัว เป็นสื่อสำคัญในการสร้างความรู้ความเข้าใจให้แก่ผู้เข้าชม ห้องจัดแสดงที่ 4 (ลพบุรี) จัดแสดงร่อยรอยหลักฐานของวัฒนธรรมเขมร หรือที่นักวิชาการชาวไทยนิยมเรียกกันว่า "ลพบุรี" ที่ปรากฏในจังหวัดราชบุรี ในช่วงพุทธศตวรรษที่ 16 - 18 โดยมีทั้งหลักฐานทางด้านโบราณคดีที่พบจากเมืองโบราณราชบุรี ที่มีพระปรางค์วัดพระศรีรัตนมหาธาตุเป็นศูนย์กลางเมือง และพบจากเมืองโบราณโกสินารายณ์ ในท้องที่อำเภอบ้านโป่ง ซึ่งเป็นแหล่งโบราณคดีสำคัญ ที่มีการพบร่อยรอยหลักฐานของวัฒนธรรมเขมร และพระโพธิสัตว์อวโลกิเตศวร เปล่งรัศมี พบที่บริเวณจอมปราสาท เมืองโบราณโกสินารายณ์ อันเป็นจำนวน 1 ใน 5 องค์ มีการพบในดินแดนประเทศไทย ปัจจุบันจัดแสดงอยู่ภายใน ห้องจัดแสดงที่ 5 (อยุธยา) จัดแสดงเรื่องราวของจังหวัดราชบุรีในช่วงสมัยกรุงศรีอยุธยา (ระหว่างพุทธศตวรรษที่ 18 - 24) ซึ่งชื่อของเมืองราชบุรีมีปรากฏในศิลาจารึกสุโขทัยหลักที่ 1 (จารึกพ่อขุนรามคำแหงมหาราช) รวมทั้งดำรงฐานะเป็นเมืองท่าสำคัญด้านตะวันตกและเมืองหน้าด่านปราการชั้นในของกรุงศรีอยุธยา ที่เคยเป็นสมรภูมิรบกับพม่าตลอดมาจนถึงสมัยรัตนโกสินทร์ อันสะท้อนให้เห็นได้จากงานศิลปกรรมประเภทต่างๆ ที่ยังหลงเหลือร่องรอยให้ศึกษาได้ และในห้องนี้ได้มีการจัดทำฉากจำลองโบราณวัตถุประเภทเครื่องปั้นดินเผาชนิดต่างๆ ที่จมอยู่ใต้ลำน้ำแม่กลอง เพื่อสร้างความรู้ความเข้าใจให้แก่ผู้เข้าชมในเรื่องราวของเมืองราชบุรี ที่เคยเป็นเมืองท่าสำคัญด้านทิศตะวันตกของกรุงศรีอยุธยาด้วย ห้องจัดแสดงที่ 6 (รัตนโกสินทร์) จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับจังหวัดราชบุรีในช่วงสมัยรัตนโกสินทร์ (พ.ศ. 2325 - 2475) โดยแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของเมืองราชบุรีที่เกี่ยวข้องกับพระบรมราชจักรีวงศ์ในด้านต่างๆ เป็นต้นว่า การเมืองการปกครอง การสังคม การเศรษฐกิจ การพัฒนาท้องถิ่น และกิจการเสือป่า ซึ่งจัดแสดงโดยการใช้พระแสงราชศาสตราประจำมณฑลราชบุรี ที่พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว (รัชกาลที่ 6) พระราชทานเป็นสัญลักษณ์แทนพระองค์แก่ประชาชนจังหวัดราชบุรี และภาพถ่ายเก่าจังหวัดราชบุรีสมัยรัชกาลที่ 5 - 6 เป็นสื่อสำคัญในการบอกเล่าเรื่องราวแก่ผู้เข้าชม ห้องจัดแสดงที่ 7 (ราชบุรีวันนี้) จัดแสดงสภาพในปัจจุบันของจังหวัดราชบุรี ทั้งทางด้านการเมืองการปกครอง การสังคม การเศรษฐกิจ ประชากร การประกอบอาชีพ แหล่งท่องเที่ยวที่สำคัญทางด้านวัฒนธรรมและธรรมชาติ และศิลปหัตถกรรมพื้นเมืองที่มีชื่อเสียงของจังหวัดราชบุรี โดยมีภาพโปร่งแสงแสดงแหล่งท่องเที่ยวที่สำคัญ และตัวอย่างศิลปหัตถกรรมพื้นเมืองที่มีชื่อเสียงเป็นสื่อในการจัดแสดง ห้องจัดแสดงที่ 8 (วัฒนธรรมพื้นบ้าน) จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับประวัติความเป็นมา วิถีชีวิต และสิ่งของเครื่องใช้ที่สำคัญของชนกลุ่มต่างๆ ที่ตั้งถิ่นฐานอยู่อาศัยในจังหวัดราชบุรี โดยเฉพาะชาวไทยเชื้อสายลาวโซ่ง ชาวไทยเชื้อสายกระเหรี่ยง และชาวไทยเชื้อสายไทยวน ซึ่งเป็นการนำเอาลักษณะเด่นทางวัฒนธรรมของแต่ละกลุ่มชนมาจัดแสดง ได้แก่ ภาพถ่ายและสิ่งของเครื่องใช้ที่ใช้ในพิธีเซ่นผีเฮือนของชาวไทยเชื้อสายลาวโซ่ง หุ่นจำลองบ้านเรือนพักอาศัยของชาวไทยเชื้อสายกระเหรี่ยง และเครื่องมือเครื่องใช้และตัวอย่างผ้าซิ่นตีนจกลวดลายต่างๆ ที่ทอกันมาแต่โบราณของชาวไทยเชื้อสายไทยวน ห้องจัดแสดงที่ 9 (โอ่งมังกร) จัดแสดงตัวอย่างผลิตภัณฑ์และกรรมวิธีการผลิตโอ่งมังกร ที่ได้กลายเป็นสัญลักษณ์สำคัญของเมืองราชบุรี และเป็นสินค้าที่มีชื่อเสียงและทำรายได้ให้กับจังหวัดในแต่ละปีเป็นจำนวนเงินหลายล้านบาท ห้องจัดแสดงที่ 10 (กีฬา) จัดแสดงเรื่องราวของนักกีฬาที่ทำชื่อเสียงให้จังหวัดราชบุรีและประเทศไทย ในการแข่งขันกีฬาประเภทและระดับต่างๆ โดยสื่อในการจัดแสดงมีทั้งสิ่งของ รางวัลที่นักกีฬาได้รับ ไม่ว่าจะเป็นโล่และถ้วยเกียรติยศ เหรียญรางวัล และธงกีฬา ตลอดจนภาพถ่ายกิจกรรมการกีฬาและนักกีฬาที่มีชื่อเสียง