館内ではテーマ毎に、様々な展示が行われています。

【白亜紀の世界と化石】
1億年前の白亜紀の海中をイメージし、ブルーに配色された展示室には、北海道から発見されたアンモナイトを中心に、約1,000点の化石を展示しています。北海道産のアンモナイトを約190種600点も展示しており、日本一のアンモナイト博物館として知られています。

【郷土出身者の足跡】
明治時代以来、三笠市には多くの炭鉱が栄え、たくさんの人々が住んでいました。そうした中から、多くの人材を輩出し、各界でも名を残すような人物も現れました。この展示室では、医学の分野の2名、芸術分野の1名、スポーツ分野の1名の方について、遺品やゆかりの品などを展示しています。

【石炭産業の始まり】
三笠の近代史は、明治時代に市内で石炭が発見されたことに始まります。この展示コーナーでは、そもそも石炭とはいったい何か、どのようにしてできたのか、どのように利用されているのか、といった、石炭の基礎知識について紹介しています。

【炭鉱と人々のくらし】
三笠市は1879（明治12）年に幌内炭鉱が開かれて以来、最後の炭鉱が閉山する1989（平成元）年までの110年余り、炭鉱とともに歩んできました。三笠における石炭産業の繁栄と衰退が視覚的にわかりやすいようにまとめられた年表の展示があります。

【集治監と囚人】
炭鉱とともに発展してきた歴史をもつ街ですが、1882年（明治15年）に設置された空知集治監（そらちしゅうじかん）もその歴史に重要な役割を果たしています。集治監とは、現在の刑務所に当たる施設です。空知集治監の資料を中心に、和人到来以前の考古資料なども展示しています。

【森林資料展示室】（分館）
三笠市の面積の約8割は森林です。この展示室では、三笠に生息する動物の標本（剥製、昆虫）や、林業に関する資料を展示しています。

【野外博物館（サイクリングロード）】
野外博物館は、1938年（昭和13年）から1956年（昭和31年）まで、桂沢（現在の桂沢湖がある周辺）で切り出した伐採木の搬出に用いられた森林鉄道の線路跡を利用して、動植物や地層の観察をすることができるサイクリングロード（全長1.2km）として整備したものです（歩行者と自転車しか入れません）。博物館本館建物の東側が始点となっており、全長は1.2kmあるため、徒歩で往復40分ほどかかります。

【図書コーナーなど】
本館1階ロビーの一角に図書コーナーがあり、専用の机とイス（6人分）を用意しています。図書コーナーの隣には「キッズコーナー」があり、アンモナイトやイカ、タコ、三葉虫など、化石に関係した生物の手作り木製パズルで遊ぶことができます。