西安碑林博物馆收藏的历代碑石主要收藏于碑林广场以北的碑亭和第一至第七展室内。其中，陈列在碑亭中的《石台孝经》，刻于唐天宝四载（745），由唐玄宗李隆基注书，被誉为“迎宾第一碑”，是最早移入碑林的藏品之一。
第一陈列室
陈列的是《开成石经》，内容包括《周易》、《尚书》、《诗经》、《礼记》、《春秋左氏传》、《论语》、《孝经》、《尔雅》等 12部经书，计60多万字，用石114方。清代补刻的《孟子》也陈列于此，合称《十三经》。这些经书是封建社会知识分子必读之书。当时为避免文人学士们在传抄经书时出现错误，以及永久保存，就把经书刻在石碑上作为范本，立于长安城国子监内，以供校对。《开成石经》是目前仅存的一套完整的石刻经书。
第二陈列室
陈列书法名碑，以唐代为主。内容上，《大秦景教流传中国碑》、《不空和尚碑》是研究唐代中外文化交流的宝贵资料。书法价值上，虞世南《孔子庙堂碑》、褚遂良《同州圣教序碑》、欧阳询《黄甫诞碑》、欧阳通《道因法师碑》、张旭《断千字文》、柳公权《玄秘塔碑》，以及僧怀仁集王羲之书的《大唐三藏圣教序碑》，颜真卿《多宝塔碑》、《颜家庙碑》等，无一不是从古至今书法爱好者学习的范本。其中僧怀仁花费24年心血，从内府藏王羲之墨迹中集字刻成的《圣教序碑》，再现了书圣王羲之秀劲超逸的书风，加之碑文由唐太宗作序、唐高宗作记，颂扬了卓越的佛学家玄奘，又有玄奘写的谢表及心经，被誉为“三绝碑”。
第三陈列室
陈列是由汉至宋代的各种书法字体名碑。篆书有唐《美原神泉诗序》等，隶书有汉《曹全碑》等，楷书有唐《臧怀恪碑》、《郭家庙碑》、《颜勤礼碑》等，行书有唐《慧坚禅师碑》等，草书有隋《智永千字文碑》、唐《怀素千字文》、张旭《肚痛帖》等，都是驰名中外的书法瑰宝。
第四陈列室
陈列的是宋至清代名书法家苏轼、黄庭坚、米芾、赵孟頫、祝允明等的诗文书迹，以及明清时期有珍贵史料价值的碑石。还有一部分宋至清代的各种线刻画，其中宋刻《唐太极宫残图》、《唐兴庆宫图》，清刻《太华山全图》、《关中八景》等，对研究古代建筑和旅游胜迹都有参考价值。
第五陈列室
陈列宋、元、明、清各代的地方史料碑石，以清代的居多。其中许多碑石记述了修庙、记功、拨田、赡学、修渠等内容，是研究当时社会和地方历史的资料，并且在书法艺术上也有一定价值。
第六陈列室
陈列的石碑，除少数是元、明人士的诗文作品外，大部分是清代的诗词歌赋。其中元赵孟頫的、明董其昌、清康熙帝及林则徐所书的石碑等，都是难得的珍品。
第七陈列室
陈列的是清代用《淳化秘阁帖》复刻的碑石，共145方。石刻两面，其内容有历代封建帝王、名臣及书法家的各种字体，更有王羲之和王献之的草书字。是不可多得的名碑帖。石刻艺术室陈列了西汉至唐代的圆雕、浮雕、线刻等石刻艺术品60余种，是碑林博物馆把散存在陕西各地的大型石刻集中于此而建立的展室。
