Die gegenwärtige Dauerausstellung im Museum Altes Zeughaus zeigt den Sammlungsreichtum des Hauses. Die Kernsammlungsgebiete sind auf vier Stockwerke verteilt und die Objekten nach Typ, Form oder Grösse geordnet.

Das Erdgeschoss des Alten Zeughauses ist – wie bei Zeughäusern üblich - nicht unterkellert. Es diente schon immer als Geschützhalle und hat auch heute noch die Funktion eines Depots.

Die Geschütze der solothurnischen Sammlung stammen aus der Zeit von 1620 bis 1945 und sind grösstenteils noch in funktionstüchtigem Zustand. Zusätzlich zu den Objekten sind unzählige originale Ersatzteile, Werkzeuge und Ausrüstungsgegenstände vorhanden – etwas, was die Sammlung des Alten Zeughauses besonders auszeichnet.

Die Ausstellung im ersten Stock geht auf das Jahr 1976 zurück. Ziel der Gestaltung war damals, eine „zeughausartige Atmosphäre“ zu schafffen. Dazu wurden etwa 1000 Griffwaffen (Säbel, Degen und Schwerter), rund 950 Gewehre und knapp 400 Pistolen ausgestellt. Gebrauchswaffen überwiegen, doch darunter finden sich beim genauen Hinschauen auch wunderbare Einzelstücke.

Der zweite Stock ist das Herzstück des Alten Zeughauses. Der „Rüstsaal“ mit seinen über 200 ausgestellten Harnischen geniesst internationalen Ruf. Die Sammlung besteht zu einem grossen Teil aus Harnischen, wie sie die Landsknechte und Söldner im Krieg getragen haben. Neben diesen Massenanfertigungen gibt es auch viele Einzelstücke, welche teilweise reich verziert sind. Sie gehörten Vertretern der Solothurner Oberschicht und waren weniger für den Kriegsdienst bestimmt, sondern dienten der Repräsentation.

Im dritten Stock werden die Sonderausstellungen des Museums Altes Zeughaus gezeigt.