水洞沟遗址博物馆建于2011年，建筑面积4308平方米。外形仿水洞沟出土的石器形状，是我国西部地区唯一展示旧石器时代文化面貌的主题博物馆。它在传统博物馆参观性功能的基础上融入了高科技的创新元素。水洞沟遗址博物馆共上下两层，分上层的环廊展示和下层的《梦回四万年》实景演示两部分。环廊的布展运用大型雕塑、文物、实景再现、幻影成像、多媒体和图片的展示方式，分前言、人类演化史、中国的旧石器遗址、宁夏水洞沟文化及结束语等五个展区，下层以270度超大型半景画、实景、幻影成像等展示方式，结合世界先进的声、光、电、可调式地震平台等技术，真实的再现了四万年前远古人类其乐融融的渔猎生活和打制石器的生产、生活场景以及暴雨倾盆、山洪爆发、地震等震撼的灾难场景。