正殿是于谦祠的主体部分，也是陈列最具特色的地方，通面宽21.8米，进深14.15米。大殿正中是一座于谦全身立像，于公威严肃立，双目炯炯，正气凛然。像高3.2米，基座1.3米，为海水浪花图案。像后衬以由徐向前元帅书写的《石灰吟》壁面，塑像上方悬挂乾隆御题匾额：“丹心抗节”，黑底金字，为乾隆十六年乾隆帝南巡杭州凭吊于谦时所题。殿柱上悬挂数幅颂扬于谦不朽功绩的楹联，均是明清时期的名家所撰，经当代书法家题写。大殿墙面为两幅半圆大型浮雕壁画，左侧是“北京保卫战”，右侧是“土木堡之变”的有关场景，每幅画相对独立，但在整体上又呵成一气，场面颇为凝重、壮观，运用明暗变幻的灯光效果，再辅以铿锵激越的《十面埋伏》背景音乐，使人产生身临其境之感，恍如置身于刀光剑影、杀声震天、尘土飞扬的古战场，正与于谦一起抵御外侮。壁画高3米，宽46米，是经专家多次论证修改，在中国美术学院雕塑家王卓予先生的指导下完成。壁画突破了一般祠堂陈列的窠臼，使壁面不见柱子，与匾额、楹联、塑像遥相呼应，具有强烈的艺术震撼效果。塑像背面的墙壁上嵌有清代石碑若干块，其中包括湘乡杨昌 题的线刻《明少保兵部尚书赠太傅谥忠肃于公像》碑一块，袁枚题《重修于忠肃庙碑》残碑九块。
　　后殿陈列于谦生平事迹，采用图版和照片相结合的形式，分“少年壮志”、“勤政廉明”、“保卫北京”、“永垂青史”四个部分，详细介绍了于谦高尚的品格、卓越的功绩以及悲壮的人生。两侧的陈列柜中，分别展示了于谦的著作和历代有关于谦的评述著作，有《于肃愍公集》、《于少保萃忠全传》、《于忠肃公祠墓录》等。
　　南北厢房分别作为兵器室和接待室。兵器室陈列明代的各种军械，包括神机营用的火铳、火炮等。明代的兵器门类多、数量大、制作精、技术高，有较高的研究和欣赏价值。
　　前殿与后殿间的天井里，赫然立着一尊威武、雄壮的铁犀牛，身高约2米，围长约2.5米，周身乌黑，独角朝天，背上铸有于谦亲撰的《镇河铁犀铭》，它是于谦勤政爱民、治理黄河的一个历史见证。黄河自古多泛滥，巡抚河南期间，他励精图治，奔波于大河上下，全心治理水患。为鼓舞人民战胜洪灾的信心，在1446年，派人铸了这尊“镇河铁犀”，表达了希望根除黄河水患，使百姓过上安定幸福生活的美好愿望。原物现存于河南开封铁牛村。