พิพิธภัณฑสถานแห่งชาติเชียงแสน แบ่งออกเป็น 3 ส่วน ได้แก่
1. อาคารจัดแสดงหลักชั้นล่าง แบ่งออกเป็น 5 หัวเรื่อง ได้แก่ เรื่องภูมิสถานเมืองเชียงแสน ประวัติศาสตร์และการตั้งถิ่นฐานของเมืองเชียงแสน วัฒนธรรมสมัยก่อนประวัติศาสตร์ของมนุษย์ในสังคมล่างสัตว์และสังคมเกษตรกรรม เรื่องลวดลายปูนปั้นจากวัดป่าสัก เรื่องจารึกที่พบในเมืองเชียงแสนและพื้นที่ใกล้เคียง และเรื่องพัฒนาการของเครื่องถ้วยล้านนาในจังหวัดเชียงราย ซึ่งนับเป็นแหล่งศักษาค้นคว้าเครื่องถ้วยล้านนาที่ผลิตจากแหล่งเตาในจังหวัดเชียงรายที่สำศัญแห่งหนึ่ง
2. อาคารจัดแสดงหลักชั้นลอย แบ่งออกเป็น 2 หัวเรื่อง ได้แก่ เรื่องโบราณสถานที่สำศัญในเมืองเชียงแสนและเรื่องโบราณวัตถุที่ได้จากการขุดค้นและขุดแต่งทางโบราณคดีตั้งแต่ปี พ.ศ. 2500-ปัจจุบัน ทั้งในเมืองเชียงแสน และพื้นที่อื่นๆ ในจังหวัดเชียงราย อาทิ พระพุทธรูป เครื่องประดับเจดีย์ แผ่นอิฐที่จารึก และเครื่องสำริด เป็นต้น
3. อาคารส่วนขยาย จัดแสดงเกี่ยวกับชาติพันธุ์วิทยา แบ่งออกเป็น 3 หัวเรื่อง ได้แก่ เรื่องชีวิตความเป็นอยู่ของกลุ่มชนแถบลุ่มน้ำโขง อาทิ เครื่องมือ ที่ใช้ในการทำมาหากินในชีวิตประจำวัน เครื่องดนตรีพื้นเมือง ดาบและอาวุธต่างๆ เรื่องเมืองเชียงแสนในอดีกล่าวถึงพัฒนาการของเมืองเชียงแสนในสมัยรัตนโกสินทร์เริ่มตั้งแต่สมัยรัชกาลที่ 1
จนกระทั่งถึงสมัยรัชกาลที่ 5 ที่ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าๆให้ชาวลำปาง ลำพูน และเชียงใหม่ เข้าไปอาศัยอยู่ในเมือง เชียงแสน และฟื้นฟูเมืองขึ้นใหม่ การเข้ามาของกลุ่มชนต่างๆ เช่น ไทยลื้อ ไทยใหญ่ รวมทั้งชาวเขาเผ่าต่างๆ โดยได้รวบรวมเครื่องเขินของพม่าแบบต่างๆ มากที่สุด
โบราณวัตถุที่สำคัญ ได้แก่
หน้ากาล
ศิลปะล้านนา ราวพุทธศตวรรษที่ 18-19 ได้จากวัดป่าสัก อำเภอเชียงแสน จังหวัดเชียงราย เมื่อ พ.ศ. 2500
เป็นชิ้นส่วนลายปูนปั้นประดับสถาปัตยกรรมเจดีย์ประธานวัดป่าสัก บริเวณส่วนมุม ลักษณะเป็นรูปใบหน้ากึ่งมนุษย์กึ่งสัตว์สวมกระบังหน้า เหนือเศียรเป็นลายกนก ปากคายลายกนกออกมาทั้งสอบข้าง มีมือยึดลายกนกไว้ริมฝีปากล่างหักหายไป
เปลวรัศมี
ศิลปะล้านนา ราวพุทธศตวรรษที่ 20-21 พบที่วัดเจดีย์หลวง อำเภอเชียงแสน จังหวัดเชียงราย แล้วนำไปที่วัดมุมเมือง อำเภอเมือง จังหวัดเชียงราย
เปลวรัศมี คือ สัญลักษณ์แห่งการตรัสรู้ขององค์สมเด็จพระสัมมาสัมพุทธเจ้านี้หล่อด้วยสำริด ภายในกลวง ลักษณะเป็นเปลวรัศมี 9 แฉก แต่ยอดตรงกลางหักหายไป มีช่องสำหรับใส่หินมีค่าเพื่อประดับตกแต่ง ฐานด้านล่างมีกลีบบัวหงายรองรับและมีเดือยสำหรับสวมลงบนเศียรพระพุทธรูป
ประติมากรรมรูปพระฤาษีกัมมะโล
ศิลปะล้านนา พ.ศ. 2147 พบที่วัดพระธาตุดอยตุง อำเภอแม่สาย จังหวัดเชียงราย
ประติมากรรมรูปบุคคลนั่งศรีษะเกล้ามวยสูง ใบหน้ายิ้ม นุ่งห่มหนังสือ สองมือพนมสูงเสมออก ชันเข่าทั้งสองข้างขึ้นในลักษาการที่เรียกว่า "ประคองอัญชลี" บนที่นั่งด้านขวามีภาชนะรูปร่างคล้ายคนโทใส่น้ำ ด้านซ้ายมีภาชนะรูปทรงคล้ายขันหรือชามกับกล่องใส่ของ ฐานล่างมีภาพบุคคลกำลังแสดงความเคารพรูปกวาง มีภาพของเครื่องมือเครื่องใช้ สันนิษฐานว่าเป็นเครื่องใช้ของฤาษี ซึ่งเครื่องใช้เหล่านี้พบประกอบลายปูนปั้นกลีบขนุนปรางค์ในสมัยลพบุรี
สาระสำคัญของจารึกบนฐานพระฤาษีกัมมะโลกล่าวถึงการสร้างพระธาตุดอยตุง โดยพระเจ้าอชุตราชเป็นผู้นำในการสร้างถวายแด่พระฤาษีกัมมะโล เมื่อสร้างเสร็จแล้วได้ฉลองพระธาตุ มีการสร้างตุง (ธง) ขนาดใหญ่ จึงเป็นที่มาของชื่อ "ดอยตุง" และมอบหมายให้ชาวลัวะเป็นผู้ดูแล
พิณเปี๊ยะ
ศิลปะล้านนา พุทธศตวรรษที่ 25 หัวเปี๊ยะทำเป็นรูปหัวช้าง มีงวง มีหูกางใช้เป็นที่พาดสายทั้ง 2 ข้าง ส่วนปลายด้ามทำเป็นปลอกสำหรับเป็นที่เสียบแกนไม้ เป็นเครื่องดนตรีพื้นเมืองของล้านนา ที่มีประวัติพัฒนาการที่ยาวนาน