Inaugurato nel 1984, presenta materiali archeologici che documentano le diverse fasi di vita della città romana di Turris Libisonis, secondo Plinio il Vecchio l'unica colonia romana della Sardegna. L'appellativo di Colonia Iulia indica che essa fu fondata su iniziativa di Giulio Cesare o del figlio adottivo Ottaviano, intorno al 46 a.C.

Il percorso espositivo è articolato su due piani: al piano terra sono esposti principalmente materiali provenienti dalle necropoli messe in luce in area urbana, una sezione dedicata alla statuaria e una subacquea. Al piano superiore sono invece esposti i reperti provenienti dalle terme centrali, la sezione dei marmi e inoltre la collezione comunale, messa insieme dal signor Emilio Paglietti tra Ottocento e Novecento. Questa comprende reperti che coprono un arco cronologico molto vario, non tutti provenienti dal territorio di Porto Torres.

Il museo include una vasta area archeologica che comprende diversi siti: terme centrali, Domus di Orfeo, terme Maetzke, Domus dei mosaici, terme Pallottino, peristilio Pallottino.