展示以「時光回溯」與「考古工作下探」的概念結合建築體，「南科、生活、變遷」為展示故事主軸線，並兼具南科考古研究內容呈現；展示手法分別以科技、生動、活潑方式呈現於各大展廳。
第1廳「南科五千年」
南科考古館為臺灣首座位於科學園區中之考古專業博物館，「南科五千年」展廳呈現的是南科地區自新石器時代以來5000年歷史淵源以及南科遺址群在臺灣考古研究中的重要性與獨特性。展廳中依照時間序列展出兩百多件南科地區6大考古文化11個子期相的代表性珍貴古物，如薄如紙張的貝刀、光可鑑人的巴圖形石斧、模樣質樸有趣的人面陶偶、雕工精緻的鹿角刀柄與骨骰等。搭配展廳入口的大型投影動畫以及各文化的生活場景模型，讓史前文化不再只是書本與媒體上的文句，而是可近距離觀看、感受的對象。此外，每一次的遺址搶救發掘都涉及南科地區的地貌變化，也是許多機關與工作人員費盡心力、揮汗如雨的成果，這20餘年來數十次的考古工作過程縮影亦將於展廳一隅呈現。
第2廳「史前生活面面觀」
「史前生活面面觀」展廳，從漁、農、獵、畜、家、器、飾等7個主題來一窺南科地區先民的物質文化、社會文化、精神文化。展廳中分區展出上百件考古發掘出土的不同性質、功能的物件，以及根據考古研究成果所復原的史前生活意象。步入展廳，不僅可看到不同面向的古代生活場景，也可同時觀察老祖先們所遺留的各類別具意義、富有巧思的器物。我們可以知道先民們是如何獲得每日所需的食糧，他們是如何做出生活所需的各種日用品，個人與群體之間的互動關係又留下什麼跡象供我們這些後人解析。
第3廳「科學的考古學」
考古學者們是如何從這一件件破碎又細小的史前遺留中推敲出過去人類的生活文化呢？透過對自然沉積的土壤地層以及人為活動遺留的文化層的觀察，考古學者們得以建立遺址中的時間關係；透過對平面現象的紀錄描繪出遺址中的空間關係；對遺址中出土的動、植物遺留的分析則提供當時自然環境的資訊；對陶器、石器、金屬器、玻璃器等器物的檢驗結果反映出先民們的工藝技術與貿易網絡，而對墓葬人骨的研究則揭示先民們的體質、飲食、疾病、風俗習慣等等訊息。倚賴現代科學分析技術，針對發掘出土的物件所進行的研究是考古學與歷史學的主要差異之一，在展廳中將會實際從考古發掘現場取回的界牆、現象標本、動物骨骼與植物種子、人骨面貌復原模型等來一一介紹這些研究工作所應用的技術以及其研究成果。
博物館的秘室
經歷數十年考古發掘工作，南科出土文物之質與量均有驚人發現。現有南科園區考古發掘成果，出土之考古標本概分為四類，分別為人骨標本及其葬具、生態標本、遺物標本以及現象提取標本。展示空間特別為觀眾呈現鮮少出現在公眾眼前的博物館文物保存與維護工作。以南科考古遺址的墓葬遺跡出土流程為例，說明考古遺物從現場發掘進行的工作直到進入博物館後的維護、保存過程。出土文物整理工作耗日費時，需大量人力、物力資源投入，南科館建館後更需要充足的研究成果，以進一步推動展示計畫。