موزه بزرگ خراسان با زیر بنای نزدیک به ۱۸۰۰۰ متر مربع در مجموعه فرهنگی کوه سنگی واقع شده است. ساختمان این موزه با پنجاه و سه متر ارتفاع در دوازده طبقه ساخته شده است و دارای شش قسمت است. طرح کل بنا از عمارت خورشید در کلات نادری الهام گرفته شده است. طرح این موزه بزرگ در قامت یکی از بزرگ ترین موزه های خاور میانه تحقیق یافته است. عملیات احداث ساختمان موزه خراسان در نیمه دوم سال ۱۳۸۲ هجری شمسی شروع شد و در نهایت در سال ۱۳۹۳ به اتمام رسید. اشياء به نمایش در آمده در این موزه شامل ابزار سنگی، سفالی، شیشه ای، فلزی، قطعات گچبری، نسخه های خطی و چرم است که نشان دهنده عظمت و شکوه خراسان در قرون گذشته می باشد. این اشیاء مربوط به دوران پیش از تاریخ، تاریخی و اسلامی بوده و قدیمی ترین آنها به دست افزارهای عصر پارینه سنگی و حدود هشتصد هزار سال قبل و جدید ترین آن ها به دوران معاصر تعلق دارد. بخش های موزه بزرگ خراسان شامل موارد زیر می باشد.
۱- مخزنی برای نگه داری سازه معماری و اشیاء تاریخی، که در بخش تاریخی موزه آثار مربوط به دوران هخامنشیان، سلوکیان، اشکانیان و ساسانیان به نمایش گذاشته شده است.
۲- آزمایشگاه مرمت آثار و لوازم تاریخی
۳- کتابخانه که در آن بالغ بر پنج هزار جلد کتاب، سند و عکس تخصصی محلی برای مطالعه و رفت و آمد پژوهشگران و علاقه مندان به این حوزه است.
۴- سالن اجتماعات به سیستم های بصری و سمعی با ظرفیت صد و چهل نفر تجهیز شده است.
۵- سالن های نمایشی: این سالن با مساحتی بالغ بر ۲۷۰۰ متر مربع برای برپایی نمایشگاه های دوره ای و فصلی از آثار تاریخی و آثار هنری معاصر پیش بینی شده است.
۶- موزه: طبقه همکف، اول و دوم این بنا با مساحتی بالغ بر ۴۰۰۰ متر مربع مخصوص نمایش آثار دائمی موزه است. این بخش در واقع هسته اصلی موزه بوده و محلی برای نمایش اشیاء تاریخی مکشوفه از منطقه خراسان می باشد.
یکی از زیبا ترین چیزهایی که در این موزه قرار دارد قرآن های منسوب به امامان هستند که بر روی پوست آهو و به خط کوفی نوشته شده اند. همچنین پیکرک های سنگی زیبایی مانند پیکرک الهه مادر که متعلق به دوران پیش از تاریخ است، نیز در این قسمت به نمایش گذاشته شده اند.
تاکنون ۶۴۷ اثر موزه خراسان در فهرست آثار ملی کشور به ثبت رسیده که از این تعداد پانصد و نه اثر تاریخی، چهل و چهار اثر طبیعی، هشتاد اثر ناملموس و چهارده اثر منقول تاریخی است.