พิพิธภัณฑ์เมืองอุดรธานี  เป็นอาคารแบบโคโลเนียล 2 ชั้น มีลักษณะสถาปัตยกรรมคลาสสิกมาประยุกต์เข้ากับแบบไทย ก่ออิฐถือปูน หลังคาทรงปั้นหยา หน้าต่างโค้ง มีมุขยื่นออกมาด้านหน้าซุ้มประตู ถือเป็นอาคารเก่าแก่ของเมืองอุดรธานีที่มีการปรับปรุงมาต่อเนื่อง ในปี พ.ศ.2557 เทศบาลนครอุดรธานี ได้ดำเนินโครงการปรับปรุงพิพิธภัณฑ์เมืองอุดรธานี เพื่อบูรณะและพัฒนาอาคารเพื่อใช้เป็นแหล่งเรียนรู้แห่งใหม่ และมีการก่อสร้างอาคารเพิ่มเติม รวมทั้งนำเทคโนยีเข้ามาใช้ในพิพิธภัณฑ์เพื่อให้เกิดความน่าสนใจ 

ภายในอาคารมีห้องจัดแสดงทั้งหมด 26 ห้อง แบ่งเป็น

• ชั้นล่าง 11 ห้อง จัดแสดงเรื่องราวเกี่ยวกับจังหวัดอุดรธานี ทั้งประวัติศาสตร์ โบราณคดี ธรรมชาติวิทยา ธรณีวิทยา ประวัติศาสตร์ท้องถิ่น และศิลปวัฒนธรรม  รวมถึงพระประวัติและพระเกียรติคุณของกรมหลวงประจักษ์ศิลปาคมผู้ก่อตั้งเมืองอุดรธานี  อาทิ ห้องเมื่อพื้นดินอีสานอยู่ใต้ทะเล , ห้องเกี่ยวกับบุคคลสำคัญที่สร้างคุณประโยชน์ให้กับเมืองอุดรธานี , ห้องของดีเมืองอุดรธานี เป็นต้น

• ชั้นบน 15 ห้อง จัดแสดงเรื่องราววิถีชีวิตของชาวอุดรธานีในด้านต่างๆ เช่น จำลองห้องเรียน ,จำลองสถานีรถไฟในสมัยในยุคสมัยเหตุการณ์ รศ.112 ร้านกาแฟ ร้านถ่ายภาพ และตัดผมโบราณ  รวมทั้งห้องเกี่ยวกับการปรับตัวของชาวอุดรธานีในสภาพเศรษฐกิจที่พลิกผัน  เป็นต้น

• อาคารศูนย์บริการพิพิธภัณฑ์เมืองอุดรธานี เป็นอาคารสร้างใหม่ถูกออกแบบให้มีผนัง 3 ชั้นซ้อนกัน (Triple Layer) คือ 

- ผนังชั้นในสุดเป็นโครงสร้างอิฐไม้แทรก

- ผนังชั้นที่ 2 เป็นผนังกระจกหุ้มอาคารทั้งหมดเพื่อควบคุมระบบปรับอากาศ

- ผนังชั้นที่ 3 เป็นผนังเหล็กฉลุหุ้มตัวอาคาร โดยลายฉลุถูกออกแบบจากลายผ้าหมี่ขิดพระราชทาน เรียกว่า ‘หมี่ขิดลายสมเด็จ’ ซึ่งเป็นลายที่ชุมชนผ้าทอมือในจังหวัดอุดรธานีน้อมเกล้าฯ ถวายสมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ พระบรมราชินีนาถ และทำสีเหล็กด้วยสีสำริดที่สื่อความหมายถึงบ้านเชียง อาคารหลังนี้จึงเหมือนการเปรียบเทียบประวัติศาสตร์ของตัวอาคารระหว่างความเก่าและใหม่

ภายในอาคารประกอบด้วย

• พื้นที่รับบัตรเข้าชมพิพิธภัณฑ์

• พื้นที่ขายของที่ระลึก

• พื้นที่แสดงนิทรรศการหมุนเวียน

• สำนักงานพิพิธภัณฑ์
• ร้านกาแฟ
• ระเบียงชมหนองประจักษ์