Il percorso espositivo è organizzato secondo criteri cronologici e topografici e ripercorre la storia di vari insediamenti dalla preistoria al medioevo. Tra le aree interessate vi il territorio dell'alta Val di Cecina (appartenente in epoca etrusca alle città di Pisa e di Volterra), le necropoli di Castiglioncello e di Vada, l'area archeologica di San Gaetano di Vada e le numerose ville romane che avevano occupato la pianura lungo la costa in epoca romana.

Sono ospitati anche materiali provenienti dalle ricerche di archeologia subacquea lungo la costa.

Inoltre, il Museo ospita la ricostruzione di una domus romana con numerose stanze arredate e dipinte come al tempo dell'Antica Roma, tra cui il triclinio (la sala da pranzo), il cubicolo (la camera da letto) e la cucina, e altri ambienti romani come il thermopolium (il ristorante). Oltre ad essere il luogo ideale per le scuole per organizzare visite e laboratori didattici, è una grande occasione per tutti i visitatori per comprendere alcuni aspetti degli usi, dei costumi e della vita in generale al tempo degli antichi romani.