อาคารพิพิธภัณฑ์เมืองอุดรธานีเป็นอาคารก่ออิฐถือปูน 2 ชั้น รูปแบบอิทธิพลสถาปัตยกรรมนีโอปัลลาเดียน มีมุขด้านหน้า ประดับปูนปั้นพระนามาภิไธยย่อ สผ ในสมเด็จพระศรีพัชรินทราบรมราชินีนารถ (พระนามเดิม พระองค์เจ้าเสาวภาผ่องศรี) ที่หน้าจั่ว รอบอาคารเป็นทางเดินภายในซุ้มโค้ง (arcade) ระหว่างซุ้มแต่ละซุ้มตกแต่งด้วยเสาอิงอาคารนี้เดิมเป็นอาคารเรียนของโรงเรียนอุปภัมภ์นารี (ชื่อเดิมของโรงเรียนสตรีราชินูทิศ) สร้างขึ้นเพื่ออุทิศส่วนกุศลน้อมเกล้าฯ ถวายสมเด็จพระศรีพัชรินทราบรมราชินีนารถ พระพันปีหลวง โดยพระยาศรีสุริยราชวรานุวัตร (ศุข ดิษยบุตร) สมุหเทศาภิบาลสำเร็จราชการมณฑลอุดรได้ชักชวนประชาชนร่วมกันบริจาคทรัพย์ก่อสร้าง และได้ใช้เป็นอาคารเรียนมาจนถึง พ.ศ. 2473ในปี พ.ศ. 2473 สมัยจอมพล ป. พิบูลสงคราม ได้จัดให้อาคารหลังนี้เป็นอาคารสำนักงานส่งเสริมวัฒนธรรมหญิง จากนั้นเปลี่ยนแปลงมาเป็นที่ทำการของสำนักงานโครงการพัฒนาการศึกษาส่วนภูมิภาคใน พ.ศ. 2503 และในปี พ.ศ. 2516 เป็นอาคารสำนักงานศึกษาธิการเขต เขตการศึกษา 9 ของกระทรวงศึกษาธิการ ตามลำดับเมื่อวันที่ 14 มกราคม 2541 กรมศิลปากรได้ขึ้นทะเบียนอาคารราชินูทิศเป็นโบราณสถาน และทางจังหวัดอุดรธานีได้จัดตั้งพิพิธภัณฑ์เมืองอุดรธานีขึ้น ณ อาคารหลังนี้ ในโอกาสเฉลิมฉลองเมืองอุดรธานี 111 ปี ในวันที่ 18 มกราคม 2547 การจัดแสดงภายในพิพิธภัณฑ์พยายามให้ผู้ชมรู้จักจังหวัดอุดรธานีในแง่มุมต่าง ๆ ไล่ตั้งแต่ชั้นล่าง เริ่มจากห้องธรรมชาติวิทยาและธรณีวิทยา แสดงให้เห็นสภาพดิน หิน แร่ธาตุ ทรัพยากรทางธรรมชาติของอุดรธานี ห้องประวัติศาสตร์และโบราณคดี ที่ไม่พลาดที่จะเล่าเรื่องแหล่งอารยธรรมบ้านเชียงที่โด่งดัง ห้องมานุษยวิทยาและชาติพันธุ์ แสดงวิถีชีวิตความเป็นอยู่ของคนอุดรที่มีหลากหลายชาติพันธุ์ ทั้งภูไท ไทอดีสาน ไทพวน จีน และญวน ผ่านโมเดลบ้านจำลอง ข้าวของเครื่องใช้ และเครื่องแต่งกายของแต่กลุ่ม ห้องประวัติศาสตร์ลและการพัฒนาเมืองของพลตรีพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงประจักษ์ศิลปาคม ที่แสดงภาพถ่ายในอดีตของเมืองอุดร ห้องศิลปวัฒนธรรมร่วมสมัย จัดแสดงงานช่างพื้นบ้านและศิลปะการแสดงเมืองอุดร อาทิ การทอเสื่อกก การทอดผ้าหมี่-ขิด หมอลำ ลูกทุ่ง เป็นต้นส่วนชั้นบนเป็นห้องพระประวัติพลตรีพระเจ้าบรมวงศ์เธอกรมหลวงประจักษ์ศิลปาคม ห้องราชสกุลทองใหญ่ แสดงภาพถ่ายในอดีตของบุคคลสำคัญที่ตระกูลทองใหญ่ ห้องภาพถ่ายโบราณของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวและสมเด็จพระนางเจ้าพระบรมราชินีนาถ พร้อมทั้งพระบรมวงศานุวงศ์ในการเสด็จพระราชดำเนินมาทรงปฏิบัติพระราชกรณียกิจ ณ อุดรธานี ห้องพระอริยสงฆ์ เกจิอาจารย์ ของจังหวัดอุดรธานี อาทิ พระอาจารย์หลวงตามหาบัว ญาณสัมปันโณ และห้องอารยธรรมบ้านเชียงและอารยธรรมภูพระบาท ที่แสดงภาพเขียนสีน้ำมันตามสภาพวิถีชีวิตของมนุษย์โบราณยุคบ้านเชียง และภูพระบาท
