Gezeigt wird die Entwicklung von Eisenverhüttung und Eisenverarbeitung am Beispiel des EHW Thale von einer Blechhütte im Jahre 1686 bis zum industriellen Großbetrieb des 20. Jahrhunderts.
Erster Blickfang ist eine Dampfspeicherlokomotive.

Im Museum ist zunächst die geschichtliche und soziale Entwicklung des Betriebes und seiner Beschäftigten von 1686 bis in die jüngste Vergangenheit zu sehen. Der Prozess des Verhüttens und der anschließenden Eisenverarbeitung wird anhand von Modellen wie Rennofen, Hoher Ofen und Frischfeuer veranschaulicht. Der Besucher erfährt, dass 1831 in Thale die erste schmiedeeiserne Wagenachse Deutschlands hergestellt und 1835 das erste Geschirremaillierwerk Europas gegründet wurde. Die Durchsetzung der industriellen Revolution mit dem Bahnanschluss 1862, dem Einsatz der ersten zwei Dampfmaschinen 1868 und der Gründung der Aktiengesellschaft 1872 wird verdeutlicht. Neben dem rasanten Wachsen des Werkes (1887 Neubau des Emaillierwerkes, 1895/97 Neubau des Warmblechwalzwerkes, 1900 Bau des Siemens-Martin-Stahlwerkes) sind Zeugnisse aus dem Alltagsleben (Fahne des Hüttengesangsvereins) und der Arbeiterbewegung zu sehen. Dargestellt ist auch die umfangreiche Rüstungsproduktion des EHW Thale. Nach 1945 wird die Geschichte des Betriebes als Sowjetische Aktiengesellschaft und als volkseigener Betrieb gezeigt Im Mittelpunkt der nachfolgenden Räume steht die Entwicklung der Hauptproduktionsbereiche Stahlwerk, Walzwerke, Stanz- und Emaillierwerk, Behälter- und Apparatebau und Pulvermetallurgie. Es wird deutlich, dass in Thale vom Stahl bis zum hochveredelten Pulverteil alles an einem Ort hergestellt wurde.

Eine Besonderheit ist die 1911 in der Ascherslebener Maschinenbau AG gebaute doppeltwirkende Tandem-Walzenzugdampfmaschine. Von 1912 bis zur Stilllegung des Blockwalzwerkes 1990 trieb die Dampfmaschine über eine Kammwalze die Blockwalzstraße mit drei Walzengerüsten an. Im Museum ist sie im Modell zu sehen. Das Original kann seit 2009 von April bis Oktober nach Voranmeldung besichtigt werden.

Seit 1995 wird im Hüttenmuseum Thale konkrete Umweltgeschichte gezeigt. Dazu gehören die Wechselbeziehungen zwischen dem Wachsen des Eisenhüttenwerkes und dem Ort Thale sowie der Umgang mit den Belastungen für Mensch, Luft, Wasser und Boden durch 300-jährige metallurgische Produktion. Neu hinzugekommen ist im Jahr 2000 ein Ausstellungsteil, der die ökologische Beseitigung von Industriealtlasten zeigt. Im gesamten Museum wird der Besucher zum Aktivwerden aufgefordert, z.B. beim Bedienen der Modelle oder bei Riech- und Tastproben.