大庆市博物馆隶属于大庆市文化广电新闻出版局，属财政全额拨款事业单位。其前身为大庆展览馆，组建于1964年，办公地点几经变迁，1975年，位于市儿童公园北侧的大庆展览馆正式落成，曾经在七八十年代的油田开发建设时期，为宣传大庆精神、铁人精神发挥了重要作用。1991年，馆内陈列的铁人王进喜事迹展览整体迁入原铁人纪念馆。
1998年，事业单位机构改革时，更名为大庆博物馆。2001年，大庆市文物管理站与大庆市博物馆合署办公。2005年7月，大庆市博物馆新馆破土动工。2008年6月18日，新馆自然部分陈列面向社会免费开放。2009年7月，被国家文物局公布为国家二级博物馆。2009年12月，被评为全国科普教育基地。2011年11月22日，大庆市博物馆二期布展工程结束，面向社会全面开放。
大庆博物馆是国内首家以东北第四纪古环境、古动物与古人类为主题的综合性博物馆。馆藏化石、标本和文物逾20万件，填补了国内东北第四纪哺乳动物化石系统收藏的空白，成为全国乃至世界上，专业性收藏猛犸象——披毛犀动物群化石种属最全、数量最多的博物馆之一。
大庆博物馆设《东北第四纪自然环境》、《东北第四纪哺乳动物》和《大庆地区古代人类文明》三个陈列。以数百万年的演化历史及化石文物陈列，使人们认识大庆地区自然与人文历史的沧桑变迁。在鉴赏古大湖、古动物和古人类之美、之趣，追本溯源，鉴古知今的同时，使人们更加热爱大庆这座美丽的城市家园。
大庆博物馆大厅是全馆陈列主题和特色的综合体现。大厅展示由花岗岩浮雕、铸铜雕塑和地下化石埋藏三部分构成。巨大的环形花岗岩浮雕展现了东北第四纪古自然环境、古代人类、古动物和谐共存的美好画面。猛犸象、披毛犀、东北野牛是东北第四纪哺乳动物群的典型代表，三组形态各异，栩栩如生的铸铜雕塑彰显了动物群的庞大气势和共融关系。环形的化石复原埋藏现场再现了第四纪地层中动物化石埋藏的原貌。大厅力求整体空间风格协调统一，庄重凝练，主题突出，特色鲜明，视觉冲击力强，更好地体现博物馆的文化内涵。
《东北第四纪自然环境》陈列主要展示大庆自然生态的演变过程和资源的丰富性。采用湖泊湿地、湖底隧道景观展示、地层岩芯标本陈列及多媒体沙盘模型演示等手法，将大庆湖泊湿地的成因和状况与第四纪地质地貌有机结合，直观、科学地讲述水下生态，远古时期的地质地貌的形成及演变过程。在这个展区，能够通过机械沙盘，了解第四纪松辽古大湖的形成过程；穿越湖底，领略古大湖奇幻的湖底世界；走过复原的第四纪地层墙，探寻地层岩芯里的秘密；触摸图文并茂的滑动电视，梳理第四纪长达258万年的大事记；通过远古大湖与现代湿地变迁的对比，掌握对大自然索取与付出的平衡秘笈；直至看到曾经繁盛于我们脚下的动物走向灭绝，让人不禁陷入深思，如何去珍爱我们脚下的这片土地，创建和谐的生态环境。
《东北第四纪哺乳动物》展示精选丰富珍贵的古生物化石，采取极具震而又细腻的陈列形式和手段，重点展示了第四纪哺乳动物的分类叙述、进化比对、国际国内对第四纪的发现研究、大庆博物馆对第四纪化石的收藏保护、第四纪与人类的关系、装架互动演示等内容，用多媒体等形式高写真地营造出远古第四纪动植物及人类的生态变化，打造了极具品牌特色的古生物陈列展示，揭示了动物群繁衍生息的历程。
《大庆地区远古人类文明》陈列突出大庆地域古代历史进程中的亮点和特色，通过大庆远古人类、灿烂的青铜文化、辽金元时期民族融合、驿站文化四个专题，集中表现古代先民文化的多元性、独特性和重要性。
大庆博物馆现已发展成为国内第四纪哺乳动物化石的收藏中心、展示中心和研究中心，为今后国内外对东北第四纪的研究提供了丰富的化石基础和重要的科研基地，为开展国际展示交流搭建了宽广的平台。