博物馆总建筑面积6991平方米,主体建筑5701平方米,是镶嵌在山体中的地上地下各两层的覆土式建筑,外露墙体呈斑驳的红色,蓝天、白云、绿草之间,博物馆仿佛生长于大地之上,见证草原的悠悠岁月。博物馆由展示区、文物库区、设备控制区、档案管理与研究区和多功能报告厅等各部分组成。其中展厅面积2440平方米,由前言区,序厅和4个展示单元区及1个临时展厅组成。
基本陈列展示以“走近元上都”主题思想贯穿其中,通过“打开尘封的记忆”,“寻觅往日的风采”,“领略科技文化的繁荣”和“今日的金莲川草原”4个部分,展示了上都的兴建、布局、宫殿建筑与辉煌,反映出游牧与农耕两大文明的冲撞与融合及高度兼容并蓄的“二元”城市模式,从而见证了元朝所造就的国际多元文化兼容的盛况。