史蹟大樓位於本館園區左側，外觀採中國北方宮殿式建築，樓層地上五層，地下一層，總面積約1,141坪，展示空間面積約920坪，於2000年3月5日開館對外營運。
各樓層空間：一樓為簡報室、販賣部、服務臺、「臺灣地形圖模型展示區」及「發現臺灣與南島語族展示室」；二樓為「荷西、鄭氏時期展示室」、「清領時期展示室」及「臺灣原住民族與二二八展示室」；三樓為「日治時期－戰後臺灣展示室」、「戰後民主化歷程展示區」、「臺灣歷史人物、重要事件展示室」及「國定古蹟模型展示區」；四樓為圖書室。
史蹟大樓依時間的演進順序，有系統展示臺灣的史前文化與原住民族，及各時期歷史發展過程與風貌。
本館為服務視障朋友，於每一層樓設置點字書提供翻閱(位置詳樓層平面圖)，另在每間展場立牌文字說明，看板上也有點字。

