Экспозиция музея состоит из нескольких разделов. В первом разделе рассказывается о родителях и братьях Николая Лобачевского, его учебе в гимназии и университете, профессорах-иностранцах и их влиянии на Лобачевского; о педагогической, административной и общественной деятельности Лобачевского; его семье и потомках.
Воссоздан фрагмент кабинета ученого и ректора. Здесь представлены документальные материалы, книги, мемориальные вещи Н.И. Лобачевского.
Следующий раздел посвящен научной деятельности Н.И. Лобачевского и идеи Неевклидовой геометрии, её развитию у К. Гаусса, Н.И. Лобачевского и Я. Бойяи; становлению неевклидовой геометрии после Н.И. Лобачевского; истории становления и развития геометрической школы Казанского университета и её видных представителей.
В одном из залов музея воссоздается обстановка голубой гостиной в доме Н.И. Лобачевского, которая использовалась для отдыха и приёма гостей. В экспозиции этого зала повествуется об истории учреждения Международного конкурса и премии им. Н.И. Лобачевского, лауреатах премии Н.И. Лобачевского.
Завершает экспозицию музея библиотека Геометрического кабинета. Здесь, в книжных шкафах снова размещена знаменитая библиотека, которая собиралась на протяжении столетия, содержит прижизненные издания Н.И. Лобачевского, книги с автографами лауреатов премии, архив физико-математического общества Казанского университета.
В музее находится выставочный зал, состоящий из трех помещений. В настоящее время здесь размещена выставка «Современники Н.И. Лобачевского» из собраний музеев Казанского университета, Национального музея РТ, Государственного музея изобразительных искусств РТ, антикварного салона «Лигия». На выставке можно увидеть виды Казани времен Лобачевского, портреты его коллег – служащих и профессоров университета (М.П. Коринфского, И.М. Симонова, К.Ф. Фукса, Э.А. Эверсмана и др.); предметы, привезенные учеными из экспедиций и т.п.
В дальнейшем в этих залах будут представлены другие выставки: исторические, естественнонаучные, технические, художественные.
