จัดตั้งขึ้นในอาคารราชินูทิศ ซึ่งเป็นอาคาร 2 ชั้น รูปทรงแบบตะวันตก สร้างขึ้นในสมัยรัชกาลที่ 6 พิพิธภัณฑ์แห่งนี้เกิดขึ้นโดยการนำของ นายชัยพร รัตนนาคะ อดีตผู้ว่าราชการจังหวัดอุดรธานี ที่ได้รวมพลังประชาชนชาวจังหวัดอุดรธานีจัดตั้งพิพิธภัณฑ์เมืองขึ้น โดยใช้เวลาในการดำเนินการเพียง 111 วัน เปิดให้เข้าชมเป็นครั้งแรกเมื่อวันที่ 18 มกราคม พ.ศ. 2547 ซึ่งเป็นวันคล้ายวันสถาปนาจังหวัดอุดรธานี ครบรอบ 111 ปี พิพิธภัณฑ์เมืองแห่งนี้ ถือเป็นแหล่งท่องเที่ยวสำคัญ ที่ผู้มาเยือนจะได้รับรู้เรื่องราวเกี่ยวกับจังหวัดอุดรธานีในแง่มุมต่างๆ โดยภายในอาคารพิพิธภัณฑ์ได้แบ่งพื้นที่จัดแสดงออกเป็น 2 ชั้นๆ ละ 6 ห้อง ชั้นล่างประกอบด้วย (1) ห้องประชาสัมพันธ์และบริการ เป็นห้องที่แนะนำให้รู้จักกับส่วนต่างๆ ของพิพิธภัณฑ์ (2) ห้องธรรมชาติวิทยาและธรณีวิทยา ให้ความรู้เกี่ยวกับสภาพดิน หิน น้ำ ป่าไม้ และทรัพยากรธรรมชาติอื่นๆ ของจังหวัดอุดรธานี (3) ห้องประวัติศาสตร์และโบราณคดี แสดงให้เห็นความเป็นมาทางประวัติศาสตร์ และแหล่งโบราณคดีของจังหวัดอุดรธานีทั้งในยุคก่อนประวัติศาสตร์และยุคประวัติศาสตร์ (4) ห้องมานุษยวิทยาและชาติพันธุ์ เป็นจุดเรียนรู้วิถีชีวิตความเป็นอยู่ของชาวอุดรตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน (5) ห้องประวัติศาสตร์และการพัฒนาเมืองของพลตรีพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงประจักษ์ศิลปาคม จัดแสดงภาพถ่ายโบราณ และภาพวาดของพระองค์ท่าน ที่ได้ทรงสร้างเมืองอุดรขึ้นที่บ้านเดื่อหมากแข้ง (6) ห้องศิลปวัฒนธรรมร่วมสมัย แสดงให้เห็นถึงศิลปวัฒนธรรมต่างๆ ของชาวอุดร อาทิ ศิลปะการทอผ้า และศิลปะการแสดง ส่วนชั้นบนประกอบด้วย (1) ห้องพระประวัติพลตรีพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงประจักษ์ศิลปาคม จัดแสดงพระประวัติ พระกรณียกิจ รวมถึงของใช้ต่างๆ ของพระองค์ท่าน (2) ห้องราชสกุลทองใหญ่ จัดแสดงภาพถ่ายของบุคคลสำคัญในตระกูล “ทองใหญ่” หลายๆ พระองค์ (3) ห้องภาพถ่ายโบราณของพระบาทสมเด็จพระบรมชนกาธิเบศร มหาภูมิพลอดุลยเดชมหาราช บรมนาถบพิตร และสมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ พระบรมราชินีนาถ พระบรมราชชนนีพันปีหลวง รวมถึงพระบรมวงศานุวงศ์ในการเสด็จฯ มาทรงปฏิบัติพระราชกรณียกิจที่จังหวัดอุดรธานี (4), (5) ห้องพระอริยสงฆ์ เกจิอาจารย์ ของจังหวัดอุดรธานี ให้ข้อมูลเกี่ยวกับชีวประวัติของพระอริยสงฆ์ และเกจิอาจารย์ทุกท่าน (6) ห้องอารยธรรมบ้านเชียงและอารยธรรมภูพระบาท จัดแสดงภาพเขียนสีน้ำมันตามสภาพวิถีชีวิตของมนุษย์โบราณยุคบ้านเชียง และยุคภูพระบาท