Il Museo è attualmente articolato in quattro sezioni distinte: archeologia, scultura, pittura, paramenti sacri e argenti. La prima sezione comprende, oltre i manufatti litoidi provenienti dalla stazione neolitica del Pulo, quelli rinvenuti a Bisceglie e Terlizzi, appartenenti ad una facies di civiltà e cultura coeva a quella del Pulo, ed in altre stazioni in grotta, quali Albarosa, Navarino, Cicalito, Monteverde, Torre del Pettine, situate nell'agro compreso tra le città di Terlizzi, Bisceglie, Molfetta. In questa sezione figurano, inoltre, corredi funerari costituiti prevalentemente da vasi peuceti (VIII-III sec. a.C.) e ceramica ellenistica, proveniente dalle aree archeologiche più note della Puglia (Egnazia, Canosa, Ruvo), oltre a piccole sculture, terrecotte, monete, armi, bronzi.
La seconda sezione raccoglie sculture in pietra e in legno. Fra i reperti lapidei vanno ricordati: una pietra tombale (1500) della distrutta chiesa conventuale di S. Francesco; il fregio del portale (1553) della chiesa di S. Margherita; il trittico (XVIII sec.) di S. Maria dei martiri, S. Corrado e S. Nicola, posto originariamente sulla porta della città antica. Di notevole pregio sono i due frammenti del coro ligneo (XV sec.) dell'antico duomo e il pulpito (XVIII sec.) della chiesa francescana di S. Bernardino, nonché le statue lignee di S. Liborio (sec. XVII della chiesa di S. Stefano) e di S. Luigi Gonzaga (sec. XVIII del Seminario). Altre statue lignee (sec. XVIII-XX), raffiguranti vari personaggi della passione, appartengono all'Arciconfraternita della Morte e venivano portate in processione il Sabato Santo. Fra queste è da segnalare un S. Giovanni evangelista (inizi XIX sec.), opera dello scultore napoletano Francesco Verzella.
La terza sezione presenta tele di grandi autori: una Pietà (sec. XVII) di Bernardo Cavallino; del XVIII sec. una Madonna con bambino, S. Raffaele e il Tobiolo (dalla chiesa di S. Stefano) e un S. Nicola pellegrino di Corrado Giaquinto; il sogno di Giacobbe, Abramo e i tre angeli, il Re David di Nicola Porta; le cinque tele raffiguranti i misteri dolorosi (dalla chiesa della Madonna delle rose). A queste si aggiunge la grande tela, recentemente restaurata, del Compianto sul Cristo morto (sec. XVII, della chiesa della morte) attribuita a Massimo Stanzione o alla sua scuola.
La quarta sezione espone i paramenti sacri ed alcuni argenti del tesoro della Cattedrale: pianete ricamate (dal sec. XVII), mitrie, chiroteche episcopali, pastorali, calici, veli per calici, parati, il baldacchino per la processione di San Corrado (sec. XIX).
