中国水利博物馆以“水与人类文明”为主线，全面展示了中华民族五千年的治水史诗。以下是馆内的主要展览内容：
1. “水与人类文明”展区
位于中央圆厅，通过六面巨幅铜浮雕（水开鸿蒙、水主沉浮、水利万物、水润天下、水佑邦国、水顺自然），展现水与文明起源、兴衰以及与物质文明、精神文明、政治文明、生态文明的关系，是国内室内体量最大的铜浮雕作品群之一。

2. “水利千秋”展区（基本陈列）
位于一层，按时间顺序分为早期水利、古代水利、近代水利和当代水利四大展厅，通过场景复原、文物陈列、图文展示、视频演绎和多媒体特效，展现中华民族5000多年水利历史和文化，重点展示新中国成立后的治水成就。
早期水利展厅：展示河姆渡遗址器物，如木桨和骨耜，体现早期人类与水的紧密联系。
古代水利展厅：介绍中国地理气候条件和水资源分布，展示各朝代水利技术，如都江堰等。
近代水利展厅：展示近代水旱灾情况和水利科教发展，体现科学技术的重要性。
当代水利展厅：展示新中国成立后的水利建设成就，包括三峡水利枢纽、南水北调工程等。

3. “龙施雨沛”展区
位于顶层，以中国古典印章为载体，通过方形印章与圆形塔体空间，折射“天圆地方”和“天人合一”的哲学思想。盘龙吐水造型的印章龙钮和“人与自然和谐相处”的地面印记，寓意龙施雨沛、风调雨顺。

4. “馆中馆”浙江治水馆
位于二层，集中展示浙江治水历史和成就。其中，“浙里河湖 遇见幸福——‘八八战略’指引下的浙江河湖长制探索与实践成就展”以治水幸福感为核心，讲述治水历程和成就。

5. 室外展区
以水晶宝塔为中心，环塔沿湖设有镇水文化展区，展示铁牛、铁剑、铜犴和石兽等镇水遗产。广场两侧设有祈水专题和分水专题展区，展示祈雨道场石刻、分水契石刻、摩崖石等。

6. 临时展览
馆内还设有临时展厅，不定期举办各类特展，如“共和国印记——江河奔腾看中国”专题展，展示共和国水利事业的历史性成就。