พิพิธภัณฑ์เมืองอุดรธานี จัดตั้งขึ้นในอาคารราชินูทิศ ซึ่งเป็นอาคารเก่าแก่ สร้างขึ้นในสมัยรัชการที่ 6 ตั้งอยู่ริมถนนโพศรี ใกล้วัดโพธิสมภรณ์ ตัวอาคารสร้างขึ้นเมื่อ พ.ศ. 2463 โดยดำริพระยาศรีสุริยราชวรรานุวัตร สมุหเทศาภิบาล สำเร็จราชการมณฑลอุดร คุณหญิง ข้าราชการ พ่อค้าและประชาชนในจังหวัด เพื่อใช้เป็นอาคารเรียนสำหรับโรงเรียนนารีอุปถัมภ์ สร้างเสร็จเมื่อ พ.ศ. 2468
ต่อมาพระบาทสมเด็จพระมงกุฏเกล้าเจ้าอยู่หัวโปรดเกล้าฯ พระราชทานนามโรงเรียนขึ้นใหม่ว่า “ราชินูทิศ” จึงเป็นชื่อเรียกอาคารหลังนี้สืบมา อาคารราชินูทิศได้ใช้เป็นอาคารสำนักส่งเสริมวัฒนธรรมหญิง เมื่อ พ.ศ. 2473 และเมื่อปี พ.ศ. 2503 ใช้เป็นสำนักโครงการพัฒนาการศึกษาส่วนภูมิภาค จนต่อมา พ.ศ. 2516 ได้ใช้เป็นอาคารสำนักงานศึกษาธิการเขต เขตการศึกษา 9 และสำนักงานวัฒนธรรมจังหวัดอุดรธานี และในปี พ.ศ. 2547 จังหวัดอุดรธานีได้มอบหมายให้เทศบาลนครอุดรธานีเป็นผู้ดูแลรักษา
อาคารราชินูทิศเป็นอาคาร 2 ชั้น ก่อด้วยอิฐถือปูน รูปทรงแบบตะวันตก หลังคาทรงปั้นหยา หน้าต่างโค้ง มีมุขยื่นออกมาด้านหน้าซุ้มประตู ปัจจุบันได้ปรับปรุงอาคารดังกล่าวนี้เป็นพิพิธภัณฑ์เมืองอุดรธานี จัดแสดงเรื่องราวต่างๆเกี่ยวกับจังหวัดอุดรธานีนับตั้งแต่ประวัติศาสตร์ โบราณคดี ธรรมชาติวิทยา ธรณีวิทยา ประวัติศาสตร์ท้องถิ่น และศิลปวัฒนธรรม รวมถึงพระประวัติและพระเกียรติคุณของกรมหลวงประจักษ์ศิลปาคม ผู้ก่อตั้งเมืองอุดรธานี เปิดทำการให้บริการแก่ประชาชนเข้าเยี่ยมชมตั้งแต่วันที่ 18 มกราคม 2547 ซึ่งเป็นวันคล้ายวันสถาปนาจังหวัดอุดรธานีที่ชาวเมืองได้จัดงานเฉลิมฉลองครบรอบ 111 ปี
พิพิธภัณฑ์เมืองอุดรธานี มี 2 ชั้น ๆ ละ 6 ห้อง ประกอบด้วย
ชั้นล่าง
1.ห้องประชาสัมพันธ์ และบริการ มีหลาน ๆ เจ้าหน้าที่น่ารัก ทั้งหญิงและชาย คอยบริการแนะนำนักท่องเที่ยวให้รู้จักกับพิพิธภัณฑ์แต่ละส่วน ด้วยใบหน้ายิ้มแย้มแจ่มใส น่ารักทุกคนเชียว ว่าแล้ว หลานหญิงหนึ่ง ชายหนึ่ง ก็พาหมู่เฮาเดินชมพิพิธภัณฑ์ พร้อมทั้งอธิบายแต่ละส่วนอย่างละเอียด ด้วยความตั้งอกตั้งใจ
2.ห้องธรรมชาติวิทยาและธรณีวิทยา ห้องนี้แสดงให้เห็นถึงสภาพดิน หิน นํ้า แร่ธาตุ ป่าไม้ และทรัพยากรธรรมชาติอื่น ๆ ที่สำคัญ ตลอดจนซากดึกดำบรรพ์ที่ค้นพบในจังหวัดอุดรธานี
3.ห้องประวัติศาสตร์ และโบราณคดี ห้องนี้แสดงให้เห็นความเป็นมาทางประวัติศาสตร์ และแหล่งโบราณคดี ที่มีอายุอันยาวนาน แหล่งโบราณคดียุคก่อนประวัติศาสตร์ ยุคแรก ได้แก่ แหล่งอารยธรรมบ้านเชียง ซึ่งมีการขุดค้นพบซากโครงกระดูกมนุษย์โบราณ ภาชนะดินเผาที่มีลวดลาย และขนาดต่างกัน พร้อมด้วยเครื่องประดับทำจากสัมฤทธิ์ และเครื่องใช้ในการทำมาหากิน ประเภท มีด หอก แหลน ขวาน ที่ทำจากเหล็ก
แหล่งโบราณคดียุคประวัติศาสตร์ยุคที่ 2 ได้แก่ ยุคอุทยานประวัติศาสตร์ภูพระบาท ซึ่งพบแหล่งอารยธรรมมนุษย์โบราณสมัย 1800 ปี ถึง 1200 ปี โดยมีการพบซากโบราณวัตถุ และร่องรอยตามวิถีชีวิตความเป็นอยู่ของคนในยุคนั้น ได้แก่ ภาพเขียนสีตามผนังถ้ำ หลักเสมาขนาดใหญ่ที่ฝังอยู่รอบเสาหินตามธรรมชาติ ที่ใช้เป็นสถานที่ประกอบพิธีกรรมทางศาสนา และร่องรอยการแกะสลักพระพุทธรูปในก้อนหินขนาดใหญ่ เพื่อใช้เป็นทีสักการบูชา
ยุคในประวัติศาสตร์ พบว่า จังหวัดอุดรธานีมีโบราณวัตถุประเภทหินแกะสลักที่วัดกู่แก้ว ซึ่งเป็นลวดลายศิลปวัฒนธรรมยุคลพบุรี ยุคในประวัติศาสตร์สมัยกรุงศรีอยุธยา ยังค้นพบพระพุทธรูปบุทอง-เงิน ในเจดีย์เก่า ที่ก่อด้วยอิฐมอญขนาดใหญ่ตามวัดต่างๆ จากพื้นที่หลายๆ อำเภอ
4.ห้องมานุษยวิทยา และชาติพันธุ์ แสดงให้เห็นวิถีชีวิตความเป็นอยู่ของประชาชนที่อาศัยอยู่ในจังหวัดอุดรธานี ตั้งแต่สมัยอดีต จนถึงปัจจุบัน ได้แก่ สภาพวิถีชีวิต ความเป็นอยู่อาศัย สร้างบ้านเรือนที่เป็นไม้ ตั้งแต่หลังคาถึงเสาเรือน อยู่ใกล้กับแหล่งธรรมชาติ พื้นที่อุดมสมบูรณ์ สะดวกต่อการมาหากิน
เครื่องใช้ของคนอุดรธานี ตามที่พบ จะมีการใช้ภาชนะดินเผาประเภท ไห หิน เครื่องจักสานไม้ไผ่ เป็นภาชนะในครัวเรือน และเครื่องใช้ในการจับปลา ล่าสัตว์ต่าง ๆ ใช้คัมภีร์ใบลานเป็นหนังสือธรรมะ
การแต่งกาย ในแต่ละเผ่า จะมีการแต่งกายแบบคนไทยอีสาน แบบชาวภูไท แบบชาวไทพวน แบบชาวจีน และญวณ ซึ่งแต่ละเผ่ายังคงอาศัยอยู่ในจังหวัดอุดรธานีแต่ะละพื้นที่
5.ห้องประวัติศาสตร์ และการพัฒนาเมือง ของพลตรีพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงประจักษ์ศิลปาคม ห้องนี้จัดแสดงให้เห็นภาพถ่ายโบราณ และภาพวาดของพลตรีพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงประจักษ์ศิลปาคม ที่ได้ทรงสร้างเมืองอุดรธานีขึ้นที่บ้านเดื่อหมากแข้ง ซึ่งเป็นชุมชนเล็ก ๆ แต่มีความอุดมสมบูรณ์ทางธรรมชาติ มีที่ราบลุ่ม สามารถปลูกข้าว ทำนาเลี้ยงชีพพลเมืองได้ จนพัฒนามาเป็นเมืองขนาดใหญ่ได้
6.ห้องศิลปวัฒนธรรมร่วมสมัย แสดงให้เห็นเกี่ยวกับศิลปวัฒนธรรมของชาวจังหวัดอุดรธานี ได้แก่ ศิลปะการทอเสื่อกก การเสร้างเฮือนอีสาน เป็นต้น
ชั้นบน
1. ห้องพระประวัติ พลตรีพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงประจักษ์ศิลปาคม
2. ห้องราชสกุลทองใหญ่
3. ห้องภาพถ่ายโบราณของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว และสมเด็จพระนางเจ้าพระบรมราชินีนาถ
4. ห้องพระอริยสงฆ์ เกจิอาจารย์ ของจังหวัดอุดรธานี