Le collezioni sono ordinate sui tre piani del palazzo nelle sezioni: archeologica, storico-artistica e naturalistica.

La sezione archeologica, caratterizzata da reperti di varie epoche e testimonianze di archeologia medievale, consente di ricostruire le antiche case del nucleo urbano con le mura e le porte, oltre all'analisi del complesso della Fattoria Corsini all'interno del quale è ospitato il museo. Il primo piano è destinato completamente al Museo d'Arte Sacra, mentre l'ultima sezione del palazzo presenta la collezione ornitologica acquistata dal Comune di Fucecchio nel 1978 dal medico Adolfo Lensi come testimonianza della ricchezza avifaunistica della zona.

La sezione di Arte Sacra riunisce opere pittoriche e oggetti d'arte sacra provenienti dalle molte chiese del centro di Fucecchio e del suo territorio, ma principalmente dalla chiesa abbaziale di San Salvatore e dalla chiesa Collegiata di San Giovanni Battista, dove confluirono anche opere provenienti dalle chiese e dalle congregazioni religiose soppresse in età leopoldina, datate tra il XIII e il XVIII secolo.

La collezione ornitologica Adolfo Lensi è composta da 292 esemplari per 144 specie, 49 famiglie e 18 ordini. Nella sala 16 sono esposti gli esemplari più rappresentativi degli ambienti che si trovano nel Padule di Fucecchio e nelle aree limitrofe: le acque basse e le acque profonde, il canneto, la garzaia, le aree boscate, i prati e i coltivi.