ส่วนจัดแสดงศิลปะถ้ำและผาหินสกลนคร ในพิพิธภัณฑ์ภูพาน นำเสนอแบบจำลองภาพสลักหินและภาพเขียนสีก่อนประวัติศาสตร์ที่พบในจังหวัด โดยเฉพาะ “ถ้ำผาลายภูผายนต์” ซึ่งโดดเด่นด้วยศิลปะแบบทำรูปบอกรอย หรือการฝนเซาะหินเป็นลายเส้นและหลุมวงกลม สะท้อนคติความเชื่อและการใช้ชีวิตของมนุษย์โบราณช่วง 2,000–3,000 ปีที่แล้ว นับเป็นแหล่งศิลปะถ้ำที่ใหญ่และสำคัญที่สุดแห่งหนึ่งในประเทศไทย