汉画馆建馆之初，展馆设在民众教育馆内，有单檐廊庑式展室三间，采用壁间镶石的陈列方法，展出画像石118块。1959年第二次兴建的汉画馆，展厅面积900余平方米，陈列方式仍采用壁间镶石的方法，展出画像石500余块。1979年第三次兴建的汉画馆，展厅面积1700平方米，采用玻璃展柜展出画像石189块；1999年新馆建成开放，陈展大楼建筑面积6000平方米，展厅面积2410平方米，采用廊庑式展陈形式，去除玻璃展柜，便于游客近距离感受展品的文化艺术气息。2010年年底，为进一步提高展示服务水平，树立国家一级馆良好形象，国家文物局投资200余万元，对南阳市汉画馆基本陈列进行提升改造，2011年元月完工。2015年汉画馆再次对展厅进行了改造提升，进一步提高展陈质量和效果。
汉画馆新馆库房建于2003年，面积1750平方米，有专门安防设施和温度控制设施，有效保护了馆藏品的安全。
1935年创建的汉画馆和1959年建成的第二代汉画馆都是采用廊坊墙壁镶嵌画像石原石的展览方式。1979年建成的第三代汉画馆主要采用玻璃展柜内原石上面贴拓片的形式进行展示，以两座科学复原的典型墓葬为展览的补充形式。1999年建成的第四代汉画馆采用仿汉廊庑建筑式展台上原石裸展为主和以拓片图像相对照作为辅助的形式。
1935年创建的汉画馆和1959年建成的第二代汉画馆都是采用廊坊墙壁镶嵌画像石原石的展览方式。1979年建成的第三代汉画馆主要采用玻璃展柜内原石上面贴拓片的形式进行展示，以两座科学复原的典型墓葬为展览的补充形式。1999年建成的第四代汉画馆采用仿汉廊庑建筑式展台上原石裸展为主和以拓片图像相对照作为辅助的形式。
