El museo está dividido en varias salas, que recogen las distintas manifestaciones artísticas que se han dado a lo largo de la historia. Está la sección de arqueología, que muestra el pasado de la provincia: objetos paleolíticos de Atapuerca -en la actualidad recoge una exposición monográfica sobre sus yacimientos bajo el título "Atapuerca. Un millón de años"- y Ojo Guareña, los procedentes de las necrópolis de la Edad del Hierro de Miraveche, Ubierna y Villanueva de Teba, y los romanos de la ciudad de Clunia. La sección de Bellas Artes, en la contigua Casa de Angulo, da cobijo a una importantísima colección que va desde el arte mozárabe al actual, con piezas como el Frontal de Silos, s. XII, la arqueta hispano-árabe del s. XI o el sepulcro de Juan de Padilla. Pinturas de los ss. XV y XVI de Berruguete, Picardo y otros. Del período barroco, obras de Rizzi, Palomino y Mateo Cerezo. Esmaltes y marfiles medievales, así como monedas y medallas. Obras de artistas burgaleses de los ss. XIX y XX.