La collezione museale è disposta nelle cinque sale del primo piano di Palazzo Mosca.  La prima sala ospita uno dei capolavori del Rinascimento italiano: la Pala dell´Incoronazione della Vergine di Giovanni Bellini. Eseguita dal pittore veneto intorno al 1475, era originariamente collocata nella chiesa pesarese di San Francesco. Divenne da subito oggetto di devozione da parte dei fedeli, nonostante il complesso e non immediato messaggio mistico- allegorico sotteso nell’iconografia, evidente soprattutto alla luce del credo francescano. Stilisticamente si nota come alla solennità dell’evento mistico raffigurato nella tavola centrale, si contrappongono i vivaci episodi della vita dei santi nella predella.

Oltre al significato teologico, la pala potrebbe anche rinviare ad un riconoscimento del dominio degli Sforza sulla città sancito, nel 1483, dal matrimonio di Camilla e Giovanni Sforza. Nella sala, oltre alla pala, sono esposti dipinti che provengono da chiese e conventi della città e che rappresentano momenti significativi della cultura figurativa locale.

La ceramica e le arti decorative insieme agli arredi e ele sculture, sono esposte nella seconda Sala, una sorta di "Wunderkammer" del museo pesarese.  Per quel che riguarda la maiolica, è esposta una selezione delle più rappresentative opere istoriate dei principali centri dell´antico Ducato di Urbino, Urbino, Casteldurante (oggi Urbania), Pesaro, Gubbio e lustri cinquecenteschi di Deruta. In sala anche capolavori di arte decorativa di epoche differenti provenienti dal lascito della marchesa Vittoria Toschi Mosca.

La pinacoteca, oltre ad opere provenienti dal territorio, contiene la collezione rossiniana, con maestri marchigiani, veneti, toscani ed emiliani, tra cui Vitale da Bologna, Tintoretto, Ludovico Carracci, Guido Reni; Palma il Giovane (Giudizio Universale).