Il museo è allestito in sette sale all'interno delle stanze private della residenza Orsini ed espone circa novanta pezzi di ceramiche medievali e rinascimentali provenienti da tutto il territorio: si tratta di ciotole, boccette di profumo, brocche, pitali, panatelle per conservare il pane raffermo. Tra le ceramiche, sono da segnalare alcune invetriate databili dalla metà del XVI alla fine del XVIII secolo rinvenute nei cosiddetti butti, pozzi medievali di Sorano in cui venivano gettati gli oggetti rotti o inutilizzabili: sono stati riportati alla luce un interessante corredo di piatti da fidanzamento ed un piatto in cui è raffigurata l'aquila coronata, stemma araldico di Elena Conti da Montelanico, moglie di Niccolò III Orsini. Oltre alle preziose ceramiche, il museo illustra tramite pannelli didattici, ricostruzioni ed antiche mappe, lo sviluppo del territorio soranese, dal capoluogo alle frazioni; tra le antiche documentazioni esposte spiccano i tre codici di Sorano e di Castell'Ottieri.
Dal museo si accede alla torre ottagonale che si innalza sul lato occidentale della residenza e si raggiunge la stanza privata di Niccolò IV Orsini, dove si dice che il conte accogliesse in segreto le fanciulle, pregevolmente affrescata a grottesche: sulle pareti sono raffigurati due uccelli, un pappagallo e un colibrì, e due scene mitologiche, la prima che rappresenta il suicidio di Didone e la seconda, di difficile interpretazione, che potrebbe rappresentare un altro episodio sempre tratto dall'Eneide. Tuttavia, l'affresco più interessante è sicuramente lo spartito, con note e testo, di un antico madrigale dipinto in uno spigolo vicino ad una delle finestre: si tratta della canzone Io mi son giovinetta, cantata da Neifile al termine della IX giornata del Decameron di Boccaccio, e messa in musica nel 1542 dal musicista bolognese Domenico Maria Ferrabosco. L'affresco in questione è databile tra il 1540 e il 1560.
È possibile inoltre continuare la visita della Fortezza Orsini prenotando una visita guidata, presso il parco tematico degli etruschi al piano terra del mastio centrale, ai camminamenti sotterranei che collegavano il mastio con i due bastioni.
