大庆博物馆的镇馆之宝是两具猛犸象骨骼化石。左侧的猛犸象骨骼化石在2002年出土于黑龙江省宾县，身高3·5米、体长6·5米，同一个体化石含量达90%以上，头骨、肢骨、脚趾骨化石保存十分完好，系幼年雌性个体，生活年代为晚更新世晚期。右侧的猛犸象骨架化石在2009年出土于黑龙江省青冈县，身高4·5米、体长7·5米，同一个体化石含量达90%以上，整体脊椎骨、肢骨、肋骨、脚趾骨化石保存十分完好，系中年雄性个体，生活年代为晚更新世晚期。这两具猛犸象骨骼化石是中国内发现的最完整且个体最大的真猛犸象化石骨架。

第二展区东北第四纪哺乳动物“繁盛的草原大军”这一单元，有由50具牛群化石骨架组成的气势庞大的“沸腾牛群”，旁边展墙上也陈列的105个野牛头骨化石组成的牛头墙。

第三展区大庆地区古代人类文明该展区内文物藏品的陈列疏密有致，对于一些珍贵的藏品，如大庆地区新石器时代遗存的陶器—弦纹大口斜腹罐等文物，采用“少而精”的低密度展品陈列形式，用独立展柜、详尽的文字说明诠释其时代背景、历史价值。对于具有代表性的藏品，如大庆地区的细石器工具，则采用了高密度的陈列形式，分类展出大量的石镞、石核、石叶、刮削器、剔挖器、雕刻器等文物。

截至2022年，馆藏文物55041件/套，珍贵文物1602件/套。