พิพิธภัณฑ์สิรินธร เดิมเป็นศูนย์วิจัยไดโนเสาร์ภูกุ้มข้าว ในปี พ.ศ.2537 พบโครงกระดูกของไดโนเสาร์กินพืช ภูเวียงโกซอรัส สิรินธรเน ในบริเวณที่เป็นหลุมขุดค้นปัจจุบัน โดยพระครูวิจิตรสหัสคุณ เจ้าอาวาสวัดสักกะวัน ตั้งแต่ปลายปี พ.ศ.2537 เป็นต้นมา คณะสำรวจไดโนเสาร์จากกรมทรัพยากรธรณีจึงได้เริ่มทำการขุดค้นอย่างเป็นระบบ และพบว่า ภูกุ้มข้าว เป็นแหล่งที่พบโครงกระดูกไดโนเสาร์กินพืชที่มีความสมบูรณ์ที่สุดของประเทศไทย มีการพบโครงกระดูกไดโนเสาร์ขนาดต่างๆ เป็นกระดูกชนิดกินพืชมากกว่า 7 ตัว จำนวนกระดูกมากกว่า 700 ชิ้น ที่สำคัญคือ พบชิ้นส่วนของหัวกระโหลก ฟันและกราม และโครงกระดูกที่เรียงรายต่อกัน เกือบจะสมบูรณ์ทั้งตัวอยู่ด้วย โครงกระดูกทั้งหมดอยู่ในชั้นหินที่วางตัวอยู่บนไหล่เขาของภูกุ้มข้าวซึ่งมีรูปร่างคล้ายลอมฟาง มีความสูงประมาณ 240 เมตร

เมื่อปี พ.ศ.2538 สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี ได้เสด็จมาทอดพระเนตรซากกระดูกไดโนเสาร์ ทรงจัดตั้งโครงการพัฒนาพิพิธภัณฑ์ไดโนเสาร์ภูกุ้มข้าวขึ้น โดยให้มีการสร้างอาคารหลุมขุดค้นชั่วคราวเพื่อใช้ป้องกันซากโครงกระดูก ในปี พ.ศ.2539 กรมทรัพยากรธรณีได้สร้างอาคารวิจัยขึ้น โดยมีพื้นที่ใช้งานจำนวน 375 ตารางเมตร เพื่อใช้เป็นสถานที่ทำการอนุรักษ์ ศึกษาวิจัย และเก็บรวมรวมซากดึกดำบรรพ์ที่สำรวจพบในประเทศไทย

ในปี พ.ศ.2550 ได้เปิดให้บริการอย่างเต็มรูปแบบ ศูนย์ศึกษาวิจัยและพิพิธภัณฑ์ไดโนเสาร์ภูกุ้มข้าว หรือ พิพิธภัณฑ์สิรินธร ถือเป็นศูนย์วิจัยเกี่ยวกับไดโนเสาร์และพิพิธภัณฑ์ไดโนเสาร์แห่งแรกของประเทศไทย โดยได้รับพระราชทานนามจากสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารีว่า “พิพิธภัณฑ์สิริธร”

พิพิธภัณฑ์สิรินธรมีอาคารจัดแสดงนิทรรศการ จำนวน 2 อาคาร อาคารแรกจัดแสดง 2 ส่วน คือ นิทรรศการถาวรและนิทรรศการชั่วคราว เริ่มจากชั้นที่ 2 ใช้โถงพิพิธภัณฑ์เป็นพื้นที่ประชาสัมพันธ์ บริเวณโถงมีการจัดแสดงหุ่นจำลองไดโนเสาร์สยามโมไทรันนัส อีสานเอนซิส และข้อมูลเกี่ยวกับธรณีวิทยาของประเทศไทย ภายในนิทรรศการถาวรแบ่งพื้นที่ออกเป็น 8 โซน ซึ่งประกอบด้วยหัวข้อดังนี้

โซนที่ 1 จักรวาลและโลก

จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับจักรวาล โลก สิ่งมีชีวิต รวมทั้งไดโนเสาร์ซึ่งถือกำเนิดมานานแล้ว

โซนที่ 2 เมื่อชีวิตแรกปรากฏ

จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับเหตุการณ์เมื่อราว 3,400 ล้านปีก่อน เป็นช่วงที่ดาวเคราะห์ร้อนจัดและปั่นป่วน เนื่องจากภูเขาไฟระเบิดและการพุ่งชนของอุกกาบาต โลกค่อยๆ เย็นตัวลง ทั้งบรรยากาศและน้ำช่วยนำทางไปสู่พัฒนาการของสิ่งมีชีวิต

โซนที่ 3 พาลีโอโซอิก 

มหายุคแห่งวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับมหายุคพาลีโอโซอิกซึ่งมีระยะเวลา 542 ล้านปีที่แล้ว โดยแบ่งออกเป็นยุคต่างๆ มีการจำลองของสภาพภูมิประเทศที่เคยเกิดขึ้นในยุคนั้น พร้อมทั้งหุ่นจำลองของสัตว์ดึกดำบรรพ์ในยุคต่างๆ

โซนที่ 4 มหายุคมีโซโซอิค

จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับมหายุคมีโซโซอิคซึ่งอยู่ในช่วงเวลา 251-65 ล้านปีก่อน

โซนที่ 5 วิถีชีวิตไดโนเสาร์

จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับไดโนเสาร์โดยเฉพาะ เช่น ลักษณะของไดโนเสาร์ชนิดต่างๆ การกินอาหาร การล่าเหยื่อ การป้องกันตัว การเลี้ยงลูกอ่อน และการสูญพันธุ์

โซนที่ 6 คืนชีวิตให้ไดโนเสาร์

จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับนักบรรพชีวินวิทยาซึ่งทำงานศึกษาอนุรักษ์ซากดึกดำบรรพ์ทั่วโลก โดยมีการเล่าเรื่องราวผ่านจอวิดิทัศน์แสดงเหตุการณ์จำลอง

โซนที่ 7 ซีโนโซอิก

มหายุคแห่งสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม จัดแสดงวิวัฒนาการของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แบ่งออกเป็น 7 สมัย คือ สมัยพาลีโอซีน สมัยอีโอซีน สมัยโอลิโกซีน สมัยไมโอซีน สมัยไพลโอซีน สมัยไพลสโตซีน และสมัยโฮโลซีน

โซนที่ 8 เรื่องของมนุษย์

จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับวิวัฒนาการของมนุษย์ และการสร้างอารยธรรมของมนุษย์ผ่านวัตถุจัดแสดงต่างๆ เช่น โครงกระดูกจำลองของมนุษย์โบราณ ภาพวาด ภาพถ่าย แผนผัง และวิดีทัศน์