新莽天凤元年(公元14)的平斛是除嘉量以外仅有的莽量标准器，容水19300毫升，比嘉量仅少容797.5毫升。重要藏品还有商代青铜龙纹觥、战国错金豆、汉代胡傅温酒樽、北宋开宝藏和福州鼓山大藏经、宋代抗金文献、元代王渊桃竹锦鸡图和明代水陆画等。
基本陈列设在文庙东西展厅和大成殿内。有山西古代史、山西近代史和山西革命史陈列，陈列面积约2000平方米，陈列文物1000 件。古代史陈列分为原始社会、奴隶社会和封建社会三个部分，比较系统地反映出山西历代政治、经济和文化发展的概况。陈列有襄汾丁村旧石器文化，侯马出土的东周盟书、陶范工艺、青铜器和三晋货币，北魏木板漆画、陶俑，北齐武士俑和青釉壶等文物。
近代史陈列主要反映山西人民反帝、反封建的革命斗争事迹。陈列中有太平军北伐路经山西和义和团在山西的活动，有山西人民的争矿运动，有交文惨案和辛亥山西起义等。
山西革命史陈列分第一、二次国内革命战争，抗日战争和解放战争三个时期。主要内容有中国共产党早期著名政治家高君宇受李大钊指派在山西建立党团组织和促进山西国共合作的史迹；有党中央老一辈无产阶级革命家在山西创建晋察冀、晋冀鲁豫和晋绥三大革命根据地，并取得首战平型关、粉碎九路围攻、百团大战和沁源围困战等重大战役的胜利事迹；有中国共产党在山西创建牺盟会和决死队抗日团体和武装的革命斗争事迹以及山西人民在党的领导下，彻底摧毁阎锡山反动统治的事迹。陈列的珍贵文物，主要有山西人民声援“五四”、“五卅”运动的宣言和传单，红军东征时赠送洪洞白石小学的风琴，民兵自制的榆木炮、担架和云梯，以及太原战役中参战军队集体荣获的锦旗及革命烈士刘胡兰和尹灵芝的革命斗争事迹和遗留文物。
该馆在市内五一广场西北隅纯阳宫还有一个历史文物专题陈列。纯阳宫俗称吕祖庙，是供奉唐代道士吕洞宾的地方，创建年代不详，明万历年间 (1573～1620年)重修。馆内设陶瓷、青铜器、货币、琉璃、雕塑、书画、刺绣、珐琅、碑帖、漆器等10个专题，分21个展室，共800多件展品。该馆还经常举办一些有关历史、考古、文物和自然标本等方面的专题展览。