馆藏文物主要以新石器时代彩陶为特色，收藏有陶器、铜器、瓷器、石器、玉器、骨器、书画等2000多件，以及大量历代货币。

定西市博物馆自建馆以来，负责实施了全市文物“四有”保护、数据库建设、以及田野文物调查和长城资源调查等工作。市博物馆专业人员还注重地方文物考古和历史、民俗文化的调查研究，在国家级及省、地级刊物上发表有《定西地区战国秦长城遗迹考察记》、《秦长城西端遗迹的调查》、《定西地区出土陶质乐器》、《金代会州城遗址试掘简报》、《古成纪地望与成纪地名的两度南迁》等30多篇简报和论文。积极参与各种学术交流活动，参与地方志《定西历史人物选编》、《定西史略》、《定西史话》等撰写工作。

馆内现有《定西历史文物陈列》和《陇中民俗文化》展览。实施免费开放以来共接待观众11.4万人次。制作《定西历史文物》和《陇中印象-人文定西》流动展览两期，送展览到学校、军营、社区，并深入农村集镇，参观人数达17.5万人次。