В уникальных коллекциях собраны древние орудия труда из дерева, кости, камня, металла от мезолита до раннего железного века, медная посуда начала XVIII века, невьянская старообрядческая иконопись, всемирно известное каслинское художественное литьё, образцы уральской яшмы и доисторических морских раковин.

Популярностью среди посетителей пользуется самая большая и самая древняя известная человечеству сохранившаяся деревянная скульптура Большой Шигирский идол, являющаяся памятником мирового значения. Она была найдена в конце XIX века рабочими золотых приисков на Шигирском торфянике, её возраст − девять с половиной тысяч лет, она в два раза старше египетских пирамид.

Одну из самых трагических страниц нашей истории раскрывает экспозиция, посвящённая пребыванию семьи Романовых на Урале. В ночь на 17 июля 1918 года в Екатеринбурге свершилась расправа над последним русским императором Николаем II, его родственниками и ближайшим окружением. Примерно в это же время были убиты и другие члены царской фамилии, сосланные в Пермь и Алапаевск.

Экспозиция состоит из двух частей. Первая посвящена Николаю II, его жизни и царствованию, отмеченному не только бурными социальными потрясениями, но и ростом могущества России. Вторая рассказывает о расследовании обстоятельств убийства царской семьи и поисках останков погибших.

Расследование началось в конце июля 1918 года, после того, как Екатеринбург заняли белые. Тогда его не удалось довести до конца, но был подтверждён факт убийства Николая II и всей его семьи в доме Ипатова. Поиски останков царской семьи возобновились только в 70-е годы ХХ века, и занимались ими энтузиасты. Их работа увенчалась успехом в 1979 году, но её результаты стали достоянием общественности только спустя десять лет. В 1991 году было проведено официальное вскрытие обнаруженного захоронения, в котором находились останки девяти человек.

Несколько лет длились криминалистическая и генетическая экспертизы, к работам привлекли ведущих специалистов России, США, Великобритании и Украины. В 1997 году была установлена персональная принадлежность останков, а спустя год царская семья нашла последний приют в родовой усыпальнице Романовых − в Петропавловском соборе Петропавловской крепости Санкт-Петербурга.

Экспозиция уникальна тем, что в ней представлены материалы по расследованию обстоятельств убийства и проведению экспертиз: фотографии, документы, вещественные памятники, найденные на месте поисков царских останков. Имеются скульптурные портреты убитых, созданные российскими криминалистами по методу известного антрополога Михаила Герасимова.