Als zentrales regionales Museum in Straubing vermittelt das Gäubodenmuseum die Kulturgeschichte der Stadt und der Gäubodenlandschaft von der Vorzeit bis ins späte Mittelalter und darüber hinaus. Es zeigt sowohl permanente Sammlungen als auch wechselnde Sonderausstellungen zur Archäologie und regionalen Geschichte, zuletzt etwa zur römischen Hafensiedlung von Straubing und zur Donau-Schifffahrt in der Antike.
Die Wurzeln der Sammlung reichen ins 19. Jahrhundert; begonnen wurde 1845 mit der Zusammenführung nicht mehr benötigter Bestände aus dem städtischen Zeughaus. Ende des 19. Jahrhunderts nutzte man den Stadtturm als Ausstellungsort, und mit der Gründung eines lokalen historischen Vereins erhielt die Sammlung neuen Auftrieb. Wegen Platzmangels erfolgte 1908 ein Umzug in größere Räume; 1938 erhielt das Museum seinen heutigen Namen. 1976 wurde zusätzlicher Platz angekauft, sodass heute rund 2 500 m² Ausstellungsfläche zur Verfügung stehen. Bis 1982 wurde die Einrichtung ehrenamtlich vom Vorsitzenden des historischen Vereins betreut.
Die Dauerausstellungen gliedern sich thematisch und chronologisch. Die vorgeschichtliche Abteilung, 1985 eröffnet und 2013 durch zahlreiche Neufunde ergänzt, zeigt in neun Räumen die Entwicklung von den jungsteinzeitlichen Ackerbauern über Bronze- bis in die Eisenzeit mit Urnenfelder-, Hallstatt- und Latène-Epochen im Gäuboden. Ein besonderes Highlight ist der Römerschatz: 1950 fand man bei Bauarbeiten einen Kupferkessel mit einem Verwahrfund aus Paraderüstungen und bronzenen Gesichtshelmen, vermutlich im 3. Jahrhundert vor Plünderungen vergraben.
Die Römerabteilung gehört zu den größten in Bayern und behandelt Sorviodurum (Straubing) mit seinen militärischen Anlagen, dem Donauhafen und der Zivilsiedlung. Gezeigt werden militärische und zivile Fundstücke, eine Rekonstruktion der Stadt im mittleren 2. Jahrhundert n. Chr., Wandmalerei und Grabkomplexe aus der Kaiserzeit. Nach Zerstörungen in der 2. Hälfte des 3. Jahrhunderts verschob sich die Militärpräsenz, und für das 4. und 5. Jahrhundert weist die Ausstellung auf ein spätantikes Kastell am heutigen Kirchhügel von St. Peter hin.
Seit September 2018 widmet sich eine interaktive Abteilung der frühen bayerischen Landesgeschichte anhand von rund 1 500 Grabinventaren aus dem 5. bis 8. Jahrhundert. Film- und Ausstellungsstationen beleuchten die Übergänge von der Spätantike über ostgotische und fränkische Herrschaft bis zu den Beziehungen der Baiern zu den Langobarden im Friaul sowie die Entwicklung der Straubinger Altstadt vom 5. bis zum 12. Jahrhundert.