Το Μουσείο Πετραλώνων είναι ένα παραδοσιακό διώροφο κτίριο με 1000 τ.μ., κτισμένο με κεραμοσκεπή, ενώ στο βόρειο πέτρινο τοίχο του αναπαρίσταται ο χάρτης τού Σπηλαίου μαζί με την τουριστική διαδρομή στο εσωτερικό του - σε σχεδίαση Πάνου Πολυδωρόπουλου.

Στο ισόγειο βρίσκονται οι αποθήκες των ευρημάτων, τα εργαστήρια συντήρησης και καταγραφής, καθώς και σε χωριστή αίθουσα η βιβλιοθήκη του Μουσείου.

Ο επάνω όροφος, εκτός από την Αίθουσα Εκθεμάτων, έχει έναν ευρύχωρο διακοσμημένο Προθάλαμο, την Αίθουσα Διαλέξεων και το γραφείο της Διεύθυνσης.

Τα περίπου 2000 ευρήματα της Αίθουσας Εκθεμάτων φιλοξενούνται αντίστοιχα σε 370 προθήκες, και χωρίζονται σε δέκα ενότητες.

Οι τοιχογραφίες της ψηλοτάβανης Αίθουσας Εκθεμάτων στολίζονται με ζωγραφικές αναπαραστάσεις από την εξέλιξη της ζωής, καλύπτοντας τα τελευταία 4,5 δισεκατομμύρια έτη. Προς το τέλος των απεικονίσεων η εμφάνιση του ανθρώπινου είδους και στιγμιότυπα από τις δραστηριότητες των Πετραλώνειων Αρχανθρώπων.

Ο Προθάλαμος βρίσκεται στο κέντρο των χώρων του 2^ου ορόφου και διαθέτει δύο 

Φωτογραφίες