大同市博物館最早為大同市文物陳列館，成立于1959年，1963年正式更名。館址先后為下華嚴寺、原紅旗商場、大同十中院內天文樓。2008年，大同市委、市政府正式批準建設新館，并列入省重點工程。新館于2010年5月18日開工建設，建筑面積32821平方米，是晉北地區(qū)最大的博物館，由中國著名建筑設計師崔凱設計。新館建筑通體具有動態(tài)升騰之勢，并揉入大同胡漢融合的歷史文化，以及大同九龍壁和云岡石窟等文化元素。

新館陳展以反映漢民族與少數(shù)民族融合為主線，展示塞上地域特色和北魏、遼、金、明、清時期的輝煌歷史。展覽包括，基本陳列——《天下大同—大同古代文物展》；四個專題展，分別為《大同恐龍》《瓷路擷珍》《梵語清音》《妙筆丹青》；臨展——《盛唐瑰寶》，共展出代表性文物4000余件，許多“藏在深閨”的重量級文物都是首次展出。