สถาปัตยกรรมมีลักษณะสถาปัตยกรรมวิจิตรศิลป์ เป็นอาคารชั้นเดียว แต่ยกพื้นสูง หลังคาเป็นแบบล้านช้าง บริเวณหน้าประตูปูหินอ่อนจากอิตาลี ห้องต่าง ๆ ในอาคาร ได้แก่ ห้องฟังธรรมของเจ้ามหาชีวิต มีพระพุทธรูปจำนวนหนึ่ง รวมถึงธรรมาสน์ของพระสังฆราช ด้านหลังเป็นท้องพระโรง ห้องรับรองราชอาคันตุกะ มีภาพเขียนที่ฝาผนัง เป็นภาพวิถีชีวิต วัฒนธรรมประเพณีของคนลาว รวมถึงรูปขบวนเจ้ามหาชีวิตเสด็จไปสรงน้ำพระที่วัดเชียงทองและวัดใหม่สุวรรณภูมารามเป็นภาพเขียนแนวลัทธิประทับใจ เขียนโดยจิตรกรชาวฝรั่งเศส ยังมีรูปปั้นครึ่งพระองค์ของเจ้ามหาชีวิตลาว 4 พระองค์ และภาพรามเกียรติ์ปิดทองเคลือบเงาจากศิลปินลาว

ท้องพระโรงมีบัลลังก์หรือราชอาสน์ เครื่องราชกกุธภัณฑ์ ผนังและเพดานพื้นเป็นสีแดง ประดับด้วยกระเบื้องโมเสครูปต่าง ๆ ประดิษฐานพระพุทธรูปขนาดเล็กจำนวนมากที่นำมาจากวัดที่ถูกทำลาย ห้องบรรทมของเจ้ามหาชีวิต ห้องบรรทมของพระราชินี ห้องบรรทมของพระโอรสพระธิดา ได้กลายเป็นห้องเก็บเครื่องดนตรี เครื่องแต่งกายนางแก้วและเครื่องเล่นแผ่นเสียงโบราณ มีศิลาจารึกจำนวนหลายหลัก เก่าแก่สุดระบุคริสต์ศตวรรษที่ 7 จารึกเป็นภาษาลาวโบราณ และยังมีส่วนแสดงภูษาอาภรณ์ เครื่องประดับ เหรียญตราต่าง ๆ ฯลฯ

ห้องเสวย ห้องรับรองราชอาคันตุกะของพระนางคำผูย พระราชินีองค์สุดท้ายของลาว มีภาพเขียนขนาดใหญ่ของเจ้ามหาชีวิตศรีสว่างวัฒนา พระนางคำผูย และเจ้าฟ้าชายวงศ์สว่าง เขียนโดยอิลยา กลาซูนอฟ ศิลปินชาวรัสเซีย ห้องเก็บของที่ระลึกจากผู้นำต่างชาติหลายประเทศ รวมถึงไทย เช่นของที่ระลึกของสหรัฐ เป็นสะเก็ดหินจากดวงจันทร์[1]

ด้านหลังของหอพิพิธภัณฑ์มีอาคารเก็บราชพาหนะ[2] บริเวณที่ตั้งของหอพิพิธภัณฑ์แห่งชาติหลวงพระบาง ยังเป็นที่ตั้งของหอพระบางซึ่งประดิษฐานพระบาง