该馆藏品11万多件，一级品763件。藏品中有新石器时代的石器、陶器，商周青铜器，楚文物，马王堆汉墓出土文物，东汉至隋唐的湘阴窑和岳州窑青瓷，唐五代长沙窑釉下彩瓷器，唐人摹王羲之《兰亭序》卷和明末清初著名思想家王夫之的手迹等。太平天国和湖南农民运动等方面的文物也较多。珍品有宁乡出土的人面纹方鼎、象纹大铙、醴陵的象尊，湘潭的豕尊等商代青铜器及长沙马王堆3座汉墓中出土的3000多件珍贵文物和女尸。长沙马王堆1号墓出土的 T型帛画，长2.05米，绘有天上、人间和地下的景象，神话与现实浑然一体，是作为墓主人“引魂升天”的“铭旌”而埋入墓中的。
3号墓中出土的28件共12万多字的帛书，包括《老子》、《周易》、《经法》、《战国纵横家书》、《春秋事语》、《五星占》、《天文气象杂占》、《五十二病方》等，大部分是早已失传的古籍，对于研究古代哲学、历史、天文学、医药学等都具有很高的价值。该馆为了防止这些文物的自然损坏，采取现代科学和传统技术相结合的方法来加以保护。对丝织品的揭取、消毒去污、防虫防霉和加固保护等，摸索出一些可行的方法或已取得成功的经验。在漆木竹器的脱水定型、铜器修复和文物复制方面，也取得成果。
该馆基本陈列有 《湖南历史文物陈列》和《马王堆汉墓陈列》。马王堆汉墓陈列有保存于地下室的女尸及其内脏器官，复原的巨大棺□以及保存于马王堆现场的3号墓坑与2号坟堆。马王堆汉墓出土文物和其他一些文物珍品，曾在国内许多省、市和日、美等国以及香港展出。该馆还举办过《湖南革命史陈列》、《楚文物展览》 、《馆藏明清绘画展览》、《明清工艺品展览》、《齐白石画展》等40多个陈列展览。 该馆编辑出版有《湖南省博物馆》 (大型图录《中国博物馆》丛书第2卷)、《长沙马王堆一号汉墓》(大型发掘报告)、《马王堆汉墓研究》、《湖南考古辑刊》(1～3集)、《新民学会资料》等书刊30多种。
马王堆三座汉墓共出土珍贵文物3000多件，绝大多数保存完好。有一件素纱样衣，薄如蝉翼，长1.28米，且有长袖，重量仅49克，织造技巧非常高超。三号墓出土了10多万字的帛书以及外面已经失传的佚书。二号汉墓出土的地形图绘制技巧与现代地图大体近似，评价极高。 从马王堆一号汉墓出土的女尸形体完整，全身润泽，部分关节可以活动，软组织尚有弹性，是防腐学上的奇迹。 来到长沙不可不来博物馆一睹二千多年前的灿烂文明。