洛阳博物馆展馆包括河洛文明展一个基本陈列和珍宝馆、汉唐陶俑馆、唐三彩馆、石刻馆、书画馆、王绣牡丹艺术馆、牡丹花都特产展七个专题陈列，常设展品约1.5万件，内部设计有完善的公众互动区和休闲区以及文物收藏、研究及修复区等。
河洛文明展
河洛文明展，位于展馆一层，分三个展厅。展览以时间为序展示河洛文明在史前时期、夏商周时期、汉魏时期、隋唐时期、五代北宋时期的发展历程。“河洛文明”陈列在2013年入选第十届（2011―2012年度）全国博物馆十大陈列展览。
珍宝馆
专题陈列，位于展馆二层。展览精选馆藏历代文物极精品做集中展示，可谓件件精华，尊尊国宝。
汉唐陶俑馆
专题陈列，位于展馆二层。展览以时间为序，分为汉代、西晋、北朝、隋唐四部分，通过400余件陶俑勾勒出古代陶塑艺术发展的基本脉络，堪称一部生动的陶塑教科书。重要展品有：
彩绘三人倒立杂技俑陶樽：东汉。表现三人做倒立表演的场景，真实再现当时杂技表演的高超技巧。
彩绘陶骑马乐俑：唐代。乐手姿态各异，坐骑神情温顺，贴切地再现了唐朝骑马奏乐的情景
彩绘陶驯马俑与舞马：唐代。生动展现驯马过程中马与人对峙的瞬间，是力量与美感的统一。
唐三彩馆
专题陈列，位于展馆二层。展览分门别类介绍了文官俑、天王俑、贵妇俑、侍女俑、男侍俑、骑马俑、镇墓兽、胡人俑、动物俑、日常用具等类型的唐三彩雕塑，品系之完备极其罕见。重要展品有：
安菩夫妇墓出土唐三彩：唐代定远将军安菩与其妻何氏的合葬墓，于1981被发现。墓主生前地位很高，墓葬未经盗掘，出土文物129件，包括大批精美唐三彩，不仅造型生动、釉色精美，而且在面部加饰彩绘，栩栩如生。
三彩女坐俑：唐代。姿态优雅，神情恬静，显示了唐代妇女的稳重与矜持。
三彩蓝釉白斑马：唐代。蓝地白花马在唐三彩中极为罕见，器物所施蓝釉用的是当时中原内地极少见的钴料，这种钴料正是青花瓷所用钴料的前身，证明唐代就出现了青花。
黄绿釉伶俑：唐代。生动刻画唐代艺人表演的瞬间，是研究古代戏剧人物的重要实物资料。
三彩飞雁荷花三足盘：唐代。釉色淡雅，格调清醒，寥寥数笔将翱翔于蓝天的飞雁勾画得栩栩如生。
石刻馆
专题陈列，位于展馆一层。洛阳地区历代石刻遗存众多，时代跨越汉唐直至明清，既有强烈的时代特征，又有明显的地方特色，在中国古代石刻艺术史上占有重要地位。展览分为石刻造像和碑碣墓志两部分。
石刻造像：精品有东汉石辟邪、北魏石翁仲、隋代石狮、宋代石虎等。
碑碣墓志：精品有东汉熹平石经、西晋韩寿墓表、北魏元怿墓志、唐代张说墓志、北宋富弼墓志等。
书画馆
专题陈列，位于展馆二层。展品包括苏轼、王铎、赵之谦、査士标、恽寿平、康有为、吴昌硕、任伯年、翁同和、何绍基、齐白石、溥儒、于右任、郭沫若等古今名家的作品，以清代和近现代作品为主。重要展品有苏轼《书和靖林处士诗后》插屏。
王绣艺术馆
专题陈列，位于展馆二层，展出洛阳博物馆名誉馆长、洛阳市美术家协会主席王绣的写意牡丹画和牡丹青花瓷精品。
特产展厅
洛阳博物馆正门前东西两侧的一层附属建筑为牡丹花都特产展厅，面积约3600平米，主要汇集了河南省内尤其洛阳的知名特色食品、牡丹食品及农副产品。
