1997년 발굴된 노은동 유적(대전광역시 기념물, 1999년 지정) 안에 위치한 박물관이다. 이 유적지는 구석기 시대부터 근대에 이르는 시기의 것이 연속적으로 발굴되어 사람들이 어떻게 살아왔는지 그 변화상을 살필 수 있는 유적으로 그 중요성이 인정되었다. 이 곳에서 출토된 발굴유물 및 지정문화재(현, 지정유산)를 효율적으로 관리 · 연구 · 전시함으로써 우리 지역의 문화를 재조명하고 시민들에게 다양한 문화공간을 제공하기 위해 2007년 설립되었다.
박물관 건물은 지상 2층으로, 본격적인 관람을 위한 전시 공간은 2층에 마련되어 있다. 전시실은 노은선사문화관을 비롯하여 구석기문화관, 신석기문화관, 청동기문화관, 철기문화관 등 시대별로 나뉘어져 대전의 선사문화를 한 눈에 돌아볼 수 있다. 어렵게 느껴지는 선사시대를 관람객에게 쉽게 이해시키고자 모형과 디오라마, 입체영상물을 활용하여 선사시대 생활상을 생생하게 그려내었다. 2층 전시실과 연결된 구름다리를 통해 선사공원에 가면 청동기시대와 원삼국시대의 집자리가 복원되어 있으며 고고학 발굴 체험장도 마련되어 있다.
전시뿐 아니라 각종 박물관 교육에도 힘쓰고 있다. 성인 대상 열린박물관강좌와 어린이 문화학교를 매 학기별로 개최하여 우리 역사와 문화에 대한 시민들의 관심을 유도하고 있다. 그 외에도 대전문화유적기행, 갑천문화기행 등 각 연령층을 대상으로 하는 답사, 체험프로그램을 연중 실시 중이다.
조직은 관장 아래 관리실과 학예연구실로 구성되어 시설관리 및 방호, 소장유물 및 유물수장고 관리, 유물 기증 · 기탁 및 국고귀속유물 관리, 연구 등의 업무를 분담하고 있다.
지역의 역사를 정립하는 학술기관으로서 또한 올바른 역사와 문화를 널리 알리는 교육기관으로서, 시민들의 편안한 문화공간으로서 소임을 다하고자 힘쓰고 있다.