阿拉善沙漠地质公园博物馆建筑面积2203平方米，为钢筋混凝土结构，主体一层，屋顶为多层次脊顶（俗称金字塔型）。博物馆分为：序厅、展厅、资源厅、航天城和报告厅五部分。

　　序厅，正前方墙体中央为浮雕“内蒙古阿拉善沙漠国家地质公园园区导游图”，下方是中、蒙、英三种文字 “阿拉善沙漠国家地质公园博物馆”字样，左、右两边墙体为浮雕造型的公园内独特的景观、景点，包括：沙漠、骆队、沙波纹、胡杨树、峡谷地貌等，地面中间有玻璃镶嵌的阿拉善沙漠国家地质公园卫星遥感图，墙体两边还摆放有触摸屏查询系统，方便游客参观。

　　展厅，是博物馆的重要部分，包括：神奇的大漠、多样的地质遗迹、沙漠文化、沙漠对人类的影响、互动游戏等多个主题内容。其中神奇的大漠，以图文并茂和滚动灯箱及实物展示等形式向游客介绍了什么是沙漠？沙波纹的形成等等地学知识，还用幻影成像的效果向大家展示海市蜃楼的景观，游客还可以佩戴上工作人员准备的耳麦倾听鸣沙的声音。多样的地质遗迹向大家展示的是阿拉善沙漠国家地质公园里海森楚鲁风蚀地貌和敖伦布拉格峡谷、红墩子峡谷地貌的形成。沙漠对人类的影响重点展示的是沙漠对环境的影响，教育人们保护环境、珍惜资源。互动游戏中，游客可以通过自做沙画体验玩沙的乐趣。

　　资源厅，包括矿产资源、大漠奇石、沙漠人家、沙漠中的生命、硅化木化石和恐龙化石等多个主题内容。全面展示了阿拉善丰富的矿产资源、悠久的文化内涵和多样的古生物资源。

　　航天城，主要展示的是东风航天城的场景和飞天英雄杨利伟等图片资料。

　　报告厅，是向群众用影像资料介绍沙漠国家地质公园景观和普及地学知识的场所。