位于大同市城区下寺坡街下华严寺内，建成于1959年，为综合性地志博物馆。下华严寺占地面积13043平方米，建筑面积3420平方米。华严寺得名于佛教《华严经》，始建于辽，明代分为上下二寺。下华严寺主要建筑为薄迦教藏殿，是储藏佛教经典之处，建于辽重熙七年(1038年)，风格古朴庄严，是辽代典型的殿堂作品。殿内有辽塑佛、菩萨、弟子、天王等像，塑技高湛，为辽塑中之精品。大殿内墙排列有辽代重楼式藏经柜，与后窗上之天宫楼阁浑然一体。1961年被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位。

大同市博物馆的馆藏文物主要通过考古发掘、调查征集、单位移交等渠道入藏，现有馆藏文物26000余件(套)，种类包括铜器、陶瓷器、木器、金银器、石刻等，以及古籍善本、佛教经书近3万册，还有部分古生物化石。珍贵文物7000件;馆藏文物中以北魏时期的文物最具代表性。

大同市博物馆展厅面积819平方米，目前布置有基本陈列“大同古代简史”，分“远古大同”、“西汉雁门郡”、“魏都平城”、“辽金西京”、“明代大同镇”五部分展出。近年来，先后举办了“馆藏历代碑刻展”、“馆藏珍贵文物展”、“明清瓷器展”等临时展览。该馆馆藏文物还多次参加了省和国家文物部门组织的赴意、美、日等国的文物展览。

馆内现设有办公室、保管部、考古部、群工部、技术室、图书资料室、保卫股、财务股等部门。1995年被山西省委、省政府公布为省级爱国主义教育基地。