Il museo è diviso in diverse sezioni, tra le quali degne di nota sono la sezione archeologica e la sezione medievale. Un'ampia spazio è dedicato alla pittura del Trecento ed ospita, oltre a numerose opere della Scuola riminese del Trecento, anche opere di Giovanni Bellini, Domenico Ghirlandaio, Guercino, Guido Cagnacci, ecc..

La sezione archeologica espone i reperti della cosiddetta "domus del chirurgo", una abitazione romana della seconda metà del II secolo, scoperta nel 1989 in Piazza Ferrari a pochi metri dal museo. Di eccezionale importanza per numero e varietà gli strumenti chirurgici, che rappresentano uno dei più importanti corredi di attrezzi medici mai rinvenuto. Sono presenti numerosi mosaici di epoca romana, di particolare bellezza ed importanza.

Dal 2010 il museo ospita una sezione dalla preistoria alla tarda antichità, partendo da un milione di anni fa con i segni della presenza dell'homo erectus sul colle di Covignano, al tempo lambito dal mare che sommergeva il piano su cui sarebbe stata costruita Rimini; qui sono state trovate selci scheggiate e levigate (cuspidi di freccia, lame foliate, asce e martelli forati), paragonabili a quelle ritrovate nel giacimento preistorico di Cà Belvedere di Monte Poggiolo a Forlì, oltre alle prime forme ceramiche (con superficie liscia o decorata, in forma di ollette, scodelle o vasi a fiasco per contenere semi e liquidi) che segnano la nuova economia agro-pastorale, ai ripostigli dell'età del bronzo di oggetti occultati da commercianti-fonditori.