Das Museum ist in einem einst als nassauische Kanzlei genutzten Gebäude des 18. Jahrhunderts auf dem Schlossgelände untergebracht. Seine Dauerausstellungen präsentieren zwei inhaltliche Schwerpunkte: die Geschichte der Stadt Weilburg sowie den Bergbau im Lahn-Dill-Gebiet, welches zu den ältesten Eisenerzgewinnungs- und Verhüttungsstätten in Deutschland gehört.

Nach der Stilllegung der Gruben in der Region wurde seit den 1970er Jahren ein Schaubergwerk unter dem Museumsgebäude eingerichtet. Hier sind der Abbau und die Förderung der Rohstoffe sowie der Schacht- und Streckenausbau erfahrbar. Der auf einer Länge von 200 Metern in Tonnengewölben eingerichtete „Tiefe Stollen“ vermittelt durch Inszenierungen und betriebsbereite Maschinen einen anschaulichen Eindruck von der ehemaligen Arbeitswelt unter Tage. Die Ausstellungsräume im Erdgeschoss widmen sich darüber hinaus dem regionalen Eisenerz-, Schiefer-, Phosphorit- und Marmorabbau sowie der Tongewinnung.

Das erste Obergeschoss ist der Stadtgeschichte gewidmet. Der chronologische Rundgang spannt einen Bogen von der Ersterwähnung Weilburgs im Jahr 906 bis zur Gegenwart. Hier begegnen die Besucher Konrad, dem ersten deutschen König, ebenso wie Heinrich von Gagern, dem ersten Präsidenten der Frankfurter Nationalversammlung 1848. Eine Schaubibliothek präsentiert kostbare Bücher aus vergangenen Jahrhunderten. Sie enthält unter anderem eine komplette Sammlung von Kupferstichen der „Topographia Germaniae“ von Matthäus Merian aus dem 17. Jahrhundert.

In dem „Kleinen Kabinett“ finden in einem Wechsel von etwa sechs bis acht Wochen Sonderausstellungen zu verschiedenen Themen statt.