為了永續經營木雕博物館，落實博物館功能發揮及國際化，行政院文化建設委員會於因此於「國家8100專案」撥款新台幣6千萬興建木雕博物館二館，復於民國92(2003)年5月完成二館擴建工程，增闢木雕教學、展示、典藏、圖書資料室等空間。第二館的落成使博物館整體外觀以縱向俐落之空間切割，與橫向粗獷之牆面紋呈現，展覽空間則為木紋清水模灌製墻面，搭配木條及洗石子所框塑而成。以虛實分明的手法切割場域、以自然的木紋呼應木雕藝術、以中性色彩襯托原木之美、以天然照明表現空間之寬敞、以開窗借景結合藝術與禪意。並於當年獲得台灣建築獎，自此，木雕博物館正式進人新的紀元，成為國際化的木雕專業博物館。

木雕博物館展覽空間之增設豐富了展示陳列內容，也提供了創作者更多交流與切磋之機會，博物館規劃了一館二樓及地下一樓，二館二、三、四樓等空間，邀請國內木雕暨複合媒材創作者參與展出，使木雕博物館積極推展木雕藝術，發揮多元化之社教功能，藉此以達博物館之文化資產保存、文化藝術推廣、文物研究、社會教育與民眾休閒育樂等諸多功能，進而成為專業化、精繳化、學術化之國際規模博物館。

作為全國第一的木雕館，一方面對外推廣木雕藝術，提供來自全國各地的民眾進一步瞭解木雕的管道，另一方面持續舉辦全國性的台灣區木雕藝術創作比賽，廣納外縣市從事木雕創作者前來一周競賽，以刺激、提升三義木雕創作的水準。同時木雕館並為三義的木雕師傅安排學習課程，由來自學院的教授引介藝術概念，挹注到創作之中。而木雕館本身的空間更是為創作者的作品展示提供一個場所。因此，在博物館成立之后，三義木雕的創作水準日漸提升。