甘肅省博物館收藏有歷史文物、近現代文物、民族文物、和古生物化石及標本約35萬余件。文物涵括從白堊紀的古生物化石標本到舊石器、新石器時代的彩陶文化；從商周以來的青銅器、陶瓷玉器到漢唐的絲綢之路文明；宋、元、明、清的瓷器、木雕、絲織品、繪畫。其中尤其以館藏彩陶、漢代簡牘、文書、漢唐絲綢之路珍品、佛教藝術萃寶最為突出。
自建館以來，通過考古發掘、征集和捐贈獲得歷史文物藏品82000余件，精品的歷史文物有3000余件，國寶級文物16件(組)，國家壹級文物720余件(組)。東漢的銅奔馬、魏晉時期的“驛使圖”畫像磚，已分別被定為國家旅遊和郵電事業的標誌，其中收藏的黃河古象化石，是中國已知最大的壹具古象化石，也是世界上最完整的劍齒象骨架化石。還有發現的亞洲已知最大的蜥腳類恐龍合川馬門溪龍古生物化石標本。館內收藏有各類新石器時代彩陶和石窟藝術珍寶，展示出甘肅歷時7000-3000多年彩陶發展體系。珍貴的絲麻織品，經卷文書，木、漆、銅器，大量的漢簡、長城文物，還有包括馳名中外的銅奔馬在內的銅車馬群及木車馬，金銀舍利棺，西夏文本及文物，天梯山石窟造像、壁畫，既形象再現當年開通、保衛“絲綢之路”的情景，亦充分展現了不同歷史時期多民族聚居地區的畫面，又是研究中國古代中西交通貿易往來和文化交流及佛教藝術的佐證。博物館內還保存有壹長8米，高4米的黃河古象完整化石的復制品。 代表藏品永樂款鎏金菩薩坐像：明代，像高20.3厘米。此像頭戴花冠及發髻冠，菩薩面部廣額豐頤，雙目微垂，面容慈祥。身披帛巾，胸部前飾纓絡，衣紋弧線流暢優美，下裙寬大貼體，結跏趺座於深束腰仰覆蓮臺座上。蓮座底上陰刻“大明永樂年施”銘文，當為明代朝廷賞賜給西北地區藏傳佛教領袖的貢品。菩薩像整體結構勻稱，雕刻細膩精制。雖然還保存著元代以來阿尼哥“梵像”的影響，但造型已趨向於嫵媚，標誌著內地漢化藏傳佛教藝術的成熟，是壹件耐人尋味的珍品。 復道三角紋圜底彩陶罐：齊家文化，蘭州市八裏窯崖頭出土，口徑9.5厘米，高22厘米；甘肅省博物館藏。夾砂橙黃陶，通體施紫紅彩。口沿內外各繪壹圈倒三角網紋，耳部繪折帶紋，腹部兩面分層繪復道三角紋，各層之間用平行線分隔，腹兩側繪菱形網紋。圖案皆由平行線組成，繁縟而不亂。 葫蘆形網紋彩陶壺：馬家窯文化半山類型(距今4500年前)蘭州市花寨子出土 高46.7厘米，口徑12.2厘米，底徑16.8厘米。施紅、黑彩，頸部繪網紋，肩、腹部繪六組葫蘆形網紋，間飾鋸齒紋。 旋渦紋彩陶罐：馬家窯文化半山類型(距今4500年前)，蘭州市花寨子出土，高22.5厘米，口徑14.1厘米，底徑10.6厘米。罐身施紅、黑彩，口沿內彩，有橫豎平行條紋相間排列，腹部繪紅、黑彩多條相間旋紋五組。 彩繪木博戲俑：西漢，武威市磨嘴子漢墓出土，人高29厘米。兩位老者在玩博戲，這是戰國到漢代非常盛行的壹種娛樂形式。匠師以簡單明快的藝術造型，刻畫了兩位老者全身貫註的博弈場面，惟妙惟肖地表現出對弈時蓄勢待發的場面。 銅奔馬，東漢，武威市雷臺漢墓出土，通高34.5厘米，長45厘米，寬13.1厘米，重7.3千克。造型矯健精美，作昂首嘶鳴、疾足奔馳狀。塑造者攝取了奔馬三組騰空、壹足超越飛鳥的剎那瞬間。 絹底平繡人像：西漢，武威市磨嘴子漢墓出土，高7.2厘米。紅色絹底，用絳、淺綠、淺黃、黑色絲線平繡二人像，作對話狀。