伊犁州博物馆共设有七个展厅，分别是自然地理展厅、历史文化展厅、少数民族展厅、宗教文化展厅、民俗文化展厅、革命历史展厅和特展厅。

自然地理展厅主要展示伊犁地区的地理环境、气候特点和自然资源；历史文化展厅展示了伊犁地区的历史沿革和文化传统；少数民族展厅介绍了伊犁地区的少数民族及其传统文化；宗教文化展厅展示了伊犁地区的宗教信仰和文化传统；民俗文化展厅展示了伊犁地区的民俗风情；革命历史展厅展示了伊犁地区的革命历史和红色文化；特展厅则不定期举办各类临时性展览。