水洞沟遗址博物馆，位于宁夏银川市灵武临河镇明长城脚下，距首府银川市24公里，距河东机场11公里，建筑面积4308平方米。建筑形制以水洞沟旧石器时代文化材料中最具特色的西方莫斯特文化石叶为设计背景，以石器与遗址环境的主要色调——土黄色为基本色调，外形仿石器造型。是我国西部地区唯一展示旧石器时代面貌的主题博物馆。
水洞沟是我国最早发掘的旧石器时代文化遗址，是一处举世闻名的文化遗址。水洞沟遗址的发现打破了西方学者认为中国没有旧石器时代文化遗址的错误论断，开创了我国旧石器时代研究的先河，吸引了众多中外学者的眼光，其热度之高，被第四纪考古之父刘东生先生赞誉为“中国旧石器时代考古学的文艺复兴”！
借着遗址幽谷独特的人文光环，也凭着大自然鬼斧神工的魔力打造出的绮丽美景，如今的水洞沟又成为远近闻名的旅游景区，一批批游人纷至沓来，或在博物馆中欣赏珍贵的文物和图片，或在野外徒步寻觅先人的踪迹，或乘船领路湖光峡谷的美景，或驰马品味天地的辽阔和断崖峭壁的苍茫。
水洞沟遗址博物馆就是在这种文化背景下建成的。它的主要特点是在传统博物馆的基础上融入艺术性、文学性和高科技的创新元素。以大型浮雕、270度大型半景画、动漫、幻影成像、实景和实物，结合世界最先进的声、光、电、可调式地震平台等技术的运用，真实再现三万年前远古人类打制石器、祭祀、渔猎等其乐融融的生产、生活场景及灾难来临时的震撼场景。开创了中国博物馆展示形式的先河，使之成之成了中国最先进的展馆,得到了世界各地专家的一致认可。
博物院分地上环廊展区和下沉式展区两部分，按地上环廊120米展线的顺序设计为前言、人类演化史、中国旧石器时代遗址、宁夏水洞沟文化遗址、结束语等5个单元。重点展示的是宁夏水洞沟文化遗址单元，此单元分水洞沟的地理概况、遗址的地质构造、水洞沟的古环境特征、水洞沟遗址的发现、遗址的分布图、水洞沟的五次发掘、水洞沟遗址的发掘成果、水洞沟遗址研究、水洞沟人生产、生活场景等九大部分。在展览形式方面，打破仅仅利用展柜展示文物的常规展览模式，融合了文物、图表、雕塑、油画、场景复原、地震平台、山洪爆发、沙盘、多媒体展示以及观众互动参与等多种方式，大量吸纳国际最新科技成果，特别是数字技术和多媒体技术整体提升展览效果。
本展馆最亮最震撼的点在下沉式展区，展区建筑面积1080平方米，下沉地面据博物馆屋顶16米。整个展厅完全用半景画，实景等展示形式将三万年前的生活环境复原，并运用幻影成像、声光电等技术，真实地再现了当时的生活场景。一进入展厅，您就经过时光隧道进入远古时代，看到围着猎皮的远古人群正顶着刺骨的风雪走着，当来到水洞沟这片水草丰美的土地，他们脸上露出了笑脸，从此，水洞沟就成了他们美丽的家园，他们在这片土地上幸福地生活，瞧那边男的用石器和棍棒绑制的标枪在射猎、这边女的有的在岸上采摘植物的果实，有的在湖里摸鱼，还有用动物的胃做容器打水，最远处还有几个人正在忙着帮一个妇女接生呢。晚上到了，大家围着篝火烤食着猎物，跳着欢快曼妙的舞蹈，还有对对情侣在谈情说爱，看那位男士正含情脉脉把他们亲手打制的精美的鸵鸟蛋皮项链戴在女士的脖子上。夜深了，大家都睡了。突然，电闪雷鸣、狂风四起，接着倾盆大雨从天而降，势如瓢泼，还没等人们反映过来，蓝光闪过之后，就听见天崩地裂声响起，脚下咔嚓裂开了一丈多宽的深壕，人们四处惊慌逃窜，终于洪水爆发了，愤怒的洪水一泻千丈，势如奔马，洪水肆掠地追赶着逃生的野鹿、野牛、野驴和人群…..。天晴了、雨停了，人们看着被毁坏的家园，扶老携幼一步一回头的离开了曾经美丽的家园。这就是下沉式展馆带给您震撼的体验。
为了引导和吸引更多的游客走进三万年，了解水洞沟，普及水洞沟文化。博物馆建设突出“以人为本”“雅俗共赏”的思想，集学术性、专业性、知识性、观赏性和体验性为一体，更突出了体验性。