纪念馆主体建筑雄伟挺拔、气势磅礴，既蕴含中国传统韵味，又富有现代审美风格。前区是暖灰色花岗岩饰面斗拱造型的三层展馆，古朴庄重；后区是金属材料构成的巨大银灰色球体建筑，恢宏壮观。聂荣臻元帅亲笔题写的“平津战役纪念馆”七个金色大字，镶嵌在展馆的巨大牌楼式眉额上，为纪念馆增添了光彩和神韵。
　　
序厅——大厅正中央的铸铜雕像《走向胜利》，表现了中共中央毛泽东和刘少奇、朱德、周恩来、任弼时五位书记的领袖风采；墙屏上毛泽东主席关于平津战役作战方针的浮雕手迹熠熠生辉；环周巨幅壁画《胜利交响诗》反映了东北、华北两大区军民英勇奋战、夺取战役胜利的宏大场面。
　　
战役决策厅——通过对中共中央九月会议和全国与华北战略形势的发展变化，平津战役的方针和部署等诸多重大历史事实的在追溯，展示了平津战役发生的背景与全国战场的关系，着力表现了中央军委，特别是毛泽东主席高瞻远瞩，审时度势，作出将国民党傅作义集团抑留于华北就地歼灭的英明决策的过程。厅内设置了毛泽东主席西柏坡办公室旧址复原蜡像以及大量历史文物，照片多媒体演示，将毛主席驾驭战争的伟大气魄，运筹帷幄的高超指挥艺术，形象生动的地表现出来。
　　
战役实施厅——通过大量照片、文献、实物等史实材料与图表、绘画等辅助展品有机结合、全面、真实地展现了平津战役从发起到胜利结束的光辉历程。本厅设置的巨幅塑型电动图、大屏幕电视、战场景观、电动沙盘等，运用现代化的手段和形式，逼真地再现了战争场面。
　　
人民支前厅——运用大量史料，翔实地展现了东北、华北各级党组织、政府和解放区广大人民群众踊跃支前的历史场景，深刻地揭示了兵民是胜利之本这一革命战争规律。
　　
伟大胜利厅——陈列了平津战役取得的辉煌战绩和北平、天津以及全国各地欢庆胜利的场面等内容，并设置了缴获武器陈列台。同时对平津战役胜利后、新中国成立前发生的一些重大历史事件作了概要介绍。反映了平津战役连同辽沈、淮海等重大战役的伟大胜利，在中国革命历史演进中所起的重要作用和影响。
　　
英烈业绩厅——陈列了党的三代领导核心毛泽东、邓小平、江泽民和其他领导同志的题词；介绍了平津战役中牺牲的32位著名烈士和团以上干部、26位战斗英雄和109个英模群体的事迹；悬挂了英模群体的锦旗；展出了大量奖章、证书和英烈所用物品。英烈名录墙将战役中牺牲的6639名烈士姓名镌刻在上，寄托了对烈士的深切怀念和敬仰。

多维演示馆——运用现代声、光、电高科技与多元化视听的技术手段，把全景式超大屏幕环球电影、背景画、战场微缩景观结合起来表现战争时空氛围的音响合成，创造出新颖、独特的视听艺术形式，气势恢宏地演示了平津战役多维空间历史画面。
　　
纪念广场——纪念广场总体环境艺术以胜利为主旋律。两根高大花岗岩圆柱构成胜利门，柱顶分别伫立着人民解放军东北野战军和华北军区部队战士雕像。两壁反映军民团结奋战、欢庆胜利的花岗岩浮雕墙分列胜利门两旁。广场中央竖立着高60多米的胜利纪念碑，不锈钢三冷刺刀直插云霄。广场东西两侧的大型锻铜群雕，烘托出人民战争的磅礴气势。
　　
兵器布列——广场东西两厢布列着火炮、坦克、装甲车等重型兵器，渲染出军事纪念馆的浓重色彩。