El museo se estructura en dos salas, en las que, a través de sus vitrinas, paneles y montajes audiovisuales, el visitante puede realizar un viaje por el Altiplano de hace 1.5 millones de años, conociendo cómo era su clima, su flora y la exótica fauna constituida por tigres dientes de sable, hienas gigantes, hipopótamos, rinocerontes y mamuts.

Por la cantidad y calidad de sus colecciones, este museo es sólo comparable con unos pocos museos de Europa y Norteamérica.

El visitante podrá observar las evidencias del primer poblamiento humano de nuestro continente: las industrias líticas de los yacimientos de Barranco León y Fuente Nueva 3, o el fragmento de cráneo conocido como Hombre de Orce.