该博物馆常设展区1100余平方米，分为“机床的历史和分类与功能、机床的天津记忆、十八罗汉的故事、中国机床的未来”四大主题，重点展出40余台珍贵的机床以及工业实物、文献和影像资料共300余件。其中，我国第一台由齿轮传动运动的C620车床是馆内的镇馆之宝。馆内以“金三车间”为核心展区，这一车间曾是中国机床工业发展的标志性生产空间。天津机床工业博物馆建成后，向外展示城市历史传承和文化瑰宝，增加地区记忆标志物；向内增强文化自信，丰富城市居民生活方式，带动地区商业和服务业消费。
馆内特别设立河东工业历史展区，通过精心设计的展板、丰富的图文资料，勾勒出昔日海河东岸工厂林立的壮阔图景，记录了老工业基地的光荣历史，激发出催人奋进的精神力量。未来，该博物馆将持续升级，打造集“展出、收藏、研学、文创”于一身的博物馆。联合整个园区，形成“历史+休闲+消费”的产业生态，吸引市民和游客多层次参与，打造新型文化旅游目的地。