Il Palazzo è un esempio di architettura bolognese del XV secolo, a fianco si trova Palazzo Fava (del cinquecento) costruito dalla famiglia Fava che successivamente acquisì anche Palazzo Ghisilardi (da qui il nome Ghisilardi-Fava). Alcune sale del museo hanno affreschi dei Carracci.

La sezione forse più interessante è il ricco nucleo di Monumenti dei dottori dello Studio. Si tratta di diversi esempi di arche sepolcrali scolpite di notevole qualità artistica per lo più trecentesche, uscite dalle botteghe di grandi lapicidi del tempo: Roso da Parma (sepolcro di Pietro Cerniti del 1338), Bettino da Bologna (sepolcro di Bonifacio Galluzzi del 1346), Jacopo Lanfrani (sepolcro di Giovanni d'Andrea del 1348),

Il museo conserva inoltre opere di produzione longobarda (crocette in lamina d'oro), un acquamanile in bronzo di origine sassone, la Statua di Bonifacio VIII in rame (opera di Manno Bandini del 1301), il piviale proveniente dal convento di basilica di San Domenico, con Storie della vita di Cristo e della Vergine, rilevante esempio di opus anglicanum degli inizi del Trecento.

Completano la raccolta vari pezzi di arti applicate (avori, ceramiche e vetri), una collezione di armi (fra cui la raccolta di armi orientali di Luigi Ferdinando Marsili) e pezzi del collezionismo naturalistico.