甘肃省博物馆收藏有历史文物、近现代文物、民族文物、和古生物化石及标本约35万余件。文物涵括从白垩纪的古生物化石标本到旧石器、新石器时代的彩陶文化；从商周以来的青铜器、陶瓷玉器到汉唐的丝绸之路文明；宋、元、明、清的瓷器、木雕、丝织品、绘画。其中尤其以馆藏彩陶、汉代简牍、文书、汉唐丝绸之路珍品、佛教艺术萃宝最为突出。
自建馆以来，通过考古发掘、征集和捐赠获得历史文物藏品余件，精品的历史文物有余件，国宝级文物16件(组)，国家一级文物余件(组)。
馆内收藏有各类新石器时代彩陶和石窟艺术珍宝，展示出甘肃历时-多年彩陶发展体系。珍贵的丝麻织品，经卷文书，木、漆、铜器，大量的汉简、长城文物，还有包括驰名中外的铜奔马在内的铜车马群及木车马，金银舍利棺，西夏文本及文物，天梯山石窟造像。
展厅展示有大地湾文化、仰韶文化、马家窑文化及青铜时代诸文化彩陶，其中宽带纹三足彩陶钵、人头形器口彩陶瓶和大地湾地画等引人