พิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ บ้านเชียง ก่อตั้งขึ้นหลังการเสด็จประพาสเยี่ยมชมหลุมขุดค้นทางโบราณคดีของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพลอดุลยเดช รัชกาลที่ 9 และสมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์พระบรมราชินีนาถ เมื่อวันที่ 20 มีนาคม พ.ศ.2515 การเสด็จประพาสดังกล่าวได้กระตุ้นและความตระหนักถึงความสำคัญของแหล่งโบราณคดีบ้านเชียง  ซึ่งกำลังประสบปัญหาการลักลอบค้าโบราณวัตถุในขณะนั้น

ภายในพื้นที่ แบ่งเป็น

• อาคารสมเด็จพระศรีนครินทราบรมราชชนนี เป็นอาคารศูนย์รวมส่วนบริการต่างๆ ได้แก่ จุดประชาสัมพันธ์และจำหน่ายบัตรเข้าชม  ห้องประชุม และห้องจัดแสดงนิทรรศการหมุนเวียน

• อาคารกัลยาณิวัฒนา เป็นอาคารจัดแสดงนิทรรศการหลัก ประกอบด้วยส่วนจัดแสดง  จำนวน 9 ส่วน  ได้แก่

ส่วนที่ 1 พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดชกับบ้านเชียง  บอกเล่าเรื่องการเสด็จประพาสบ้านเชียงในปี พ.ศ.2515 ซึ่งนำพาความร่วมมือจากองค์กรต่างๆ ในการศึกษาและการพัฒนาแหล่งโบราณคดีบ้านเชียงและแหล่งอื่นๆ ในประเทศไทย พระราชปุจฉาซึ่งพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวฯ ทรงตรัสถามเมื่อคราวเสด็จนั้น  ถูกนำมาจัดแสดงในส่วนนี้เพื่อเกริ่นนำถึงขั้นตอนการศึกษาทางด้านโบราณคดีเบื้องต้น

ส่วนที่ 2 การดำเนินงานทางโบราณคดีที่บ้านเชียง  นำเสนอลำดับเวลาการศึกษาด้านโบราณคดีในบ้านเชียง โดยเน้นเหตุการณ์สำคัญ รวมถึงบุคลากรที่มีส่วนสำคัญทั้งชาวไทยและชาวต่างชาติ

ส่วนที่ 3 การปฏิบัติงานทางโบราณคดีที่บ้านเชียง  แสดงขั้นตอนการทำงานและการศึกษาระหว่างการขุดค้นโดยนักโบราณคดี ระหว่างปี พ.ศ.2517 - 2518 เช่น การแบ่งประเภท , วิเคราะห์โบราณวัตถุที่พบ รวมถึงวีดีทัศน์บทสัมภาษณ์ชาวบ้านในท้องถิ่น

ส่วนที่ 4 หลุมขุดค้นทางโบราณคดี จำลองสภาพหลุมขุดค้น โดยผู้เข้าชมสามารถเยี่ยมชมและสังเกตขั้นตอนการทำงานภายในหลุมขุดค้นอย่างใกล้ชิด

ส่วนที่ 5 จัดแสดงโบราณวัตถุจากการขุดค้นทางโบราณคดีที่วัดโพธิ์ศรี  โดยแบ่งออกตามสมัยของวัฒนธรรมบ้านเชียง 3 สมัย เช่น เครื่องปั้นดินเผา เครื่องมือเครื่องใช้ และเครื่องประดับจากวัสดุธรรมชาติ แก้ว หิน และโลหะ

ส่วนที่ 6 วัฒนธรรมบ้านเชียงยุคก่อนประวัติศาสตร์  จัดแสดงโดยจำลองบรรยายกาศและโบราณวัตถุเกี่ยวกับวิถีชีวิตของคนสมัยก่อนประวัติศาสตร์ในวัฒนธรรมบ้านเชียง 

ส่วนที่ 7 การค้นพบยุคสำริดที่หายสาบสูญ  นิทรรศการนี้ถูกดัดแปลงมาจากนิทรรศการที่ถูกจัดขึ้นโดยมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย ซึ่งจัดแสดงในประเทศสหรัฐอเมริกาและประเทศสิงคโปร์ เป็นอธิบายการศึกษาทางโบราณคดีในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ภาคพื้นทวีปโดยสังเขป  จนถึงการค้นพบวัฒนธรรมในยุคสำริดที่แหล่งบ้านเชียง

ส่วนที่ 8 มรดกโลก  จัดขึ้นเพื่อเป็นเกียรติที่แหล่งโบราณคดีบ้านเชียง ได้รับเลือกเป็นแหล่งมรดกโลกทางวัฒนธรรมในปี พ.ศ.2535 ตามหลักเกณฑ์การพิจารณาข้อที่ 3 "เป็นสิ่งที่ยืนยันถึงหลักฐานของวัฒนธรรมหรืออารยธรรมที่ปรากฏให้เห็นอยู่ในปัจจุบันหรือว่าที่สาบสูญไปแล้ว"

ส่วนที่ 9 การกระจายตัวของวัฒนธรรมบ้านเชียง จัดแสดงโบราณวัตถุที่ถูกพบระหว่างการสำรวจจากแหล่งโบราณคดีก่อนประวัติศาสตร์ใกล้เคียงกับพื้นที่แหล่งบ้านเชียง ตั้งแต่ปี พ.ศ.2515 เพื่อศึกษาการกระจายตัวของวัฒนธรรมบ้านเชียงในบริเวณแอ่งสกลนคร  ปัจจุบันมีการค้นพบแหล่งโบราณคดีที่ได้รับอิทธิพลของวัฒนธรรมบ้านเชียงจำนวน 127 แหล่งกระจายตามลุ่มน้ำสำคัญในจังหวัดอุดรธานี สกลนคร และหนองคาย

• อาคารนิทรรศการไทพวน จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับวิถีชีวิต ประวัติศาสตร์ และวัฒนธรรมของชาวไทพวน ซึ่งเป็นผู้ตั้งถิ่นฐานในแหล่งโบราณคดีบ้านเชียงในปัจจุบัน เดิมเป็นบ้านของคุณพจน์ มนตรีพิทักษ์ ซึ่งอนุญาตให้กรมศิลปากรทำการขุดค้นฯ  หลังจากการเสด็จของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวและสมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ คุณพจน์ฯ ผู้เป็นเจ้าของ จึงบริจาคบ้านรวมถึงที่ดินให้กับกรมศิลปากรเพื่อสงวนรักษา เป็นอนุสรณ์สถานการเสด็จประพาสในครั้งนั้น  และได้รับพระราชทานรางวัลด้านการอนุรักษ์ศิลปะสถาปัตยกรรมดีเด่น ประจำปี พ.ศ.2550 โดยสมาคมสถาปนิกสยามในพระบรมราชูปถัมภ์

• หลุมขุดค้นวัดโพธิ์ศรีใน ตั้งอยู่ในวัดโพธิ์ศรีในห่างออกไปจากพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ บ้านเชียงทางทิศตะวันออกราว 500 เมตร หลังจากการเสด็จประพาสเมื่อวันที่ 20 มีนาคม พ.ศ.2515 กรมศิลปากรได้ปรับปรุงหลุมขุดค้น  เพื่อจัดแสดงเป็นพิพิธภัณฑ์กลางแจ้งแห่งแรกของประเทศ