「1945年8月9日」「原爆による被害の実相」「核兵器のない世界を目指して」などのテーマに沿って、資料、写真、解説パネルなどが展示されている。 館内には折れ曲がった工場の鉄骨、爆心地側の部分が熱線により焼けた橋げたなど原子爆弾によって破壊された建物の一部が移設されているほか、原爆投下で時が止まったままの「11:02の時計」などの被爆資料を展示し、一部の資料には手で触ることができるようにしてあり、原子爆弾の悲惨さ、凄惨さを伝える。長崎型原爆とも呼ばれる「ファットマン」などの模型も展示されている。

なかでも、長崎市内外の地形を使った模型では、原爆被害の面的な広がりを視覚的に理解することができる。原爆記録映像や被爆者の証言ビデオなどの上映もあり、長崎原爆の全体像を学ぶことができる。国による追悼施設である国立長崎原爆死没者追悼平和祈念館が隣接しており、地下1階・2階に連絡通路がある。

長崎市への原爆投下に関する展示だけでなく、「核兵器開発・実験の被害者達」としてアメリカやソ連のウラン鉱山での労働などで放射線障害を被った風下住民について解説するコーナーも設けられている[1]。 広島市にも、同じく原子爆弾投下の惨状を伝える資料館として広島平和記念資料館があるが、こちらの展示内容は広島市への原子爆弾投下に特化した内容となっていたが、核実験での被爆者を紹介するコーナも作られ、原子力問題を包括して扱う資料館を目指して2019年にリニューアルされた。