Il museo documenta la storia di Monsummano Terme e della Valdinievole con la trasformazione del paesaggio in seguito alla bonifica del Padule di Fucecchio, la devozione al Santuario della Madonna della Fontenuova, lo sviluppo delle attività termali e di quelle industriali moderne. Il museo è organizzato in settori, quindici più quello di ingresso con funzione di coordinamento, legato all'ambiente ed alla storia.

La prima sezione è quella di Geologia e Paleontologia, con reperti fossili e un campionario di rocce del colle di Monsummano; spiccano i marmi pregiati, tra cui il rosso, usato nelle basiliche fiorentine di Santa Maria del Fiore e Santa Maria Novella, e il travertino dorato usato nella stessa loggia dell'Osteria.

Nella sezione di Archeologia antica e medioevale. Sono esposti alcuni materiali ceramici e laterizi risalenti all'epoca romana, provenienti dai siti archeologici di Villa San Paolo al Pozzarello, di Vaiano e Segalare, alle pendici del Monte Albano. Tra l'XI e il XII secolo venne costruito il castello di Monsummano Alto, di cui è esposta una ricostruzione nell'aspetto del XIV secolo, quando entrò a far parte dei domini fiorentini come presidio sul confine con la Repubblica di Lucca.

Nella sezione "Fattorie Granducali", si ricostruisce, tramite carte e immagini, il sistema delle ville medicee e delle fattorie che punteggiavano le pendici del Monte Albano e i dintorni del lago Padule.

Il "Tesoro di Maria Santissima della Fontenuova" è una raccolta di arte sacra, con oggetti di oreficeria provenienti dal santuario. Spiccano una corona in oro e gemme donata da Ferdinando I e i corredi liturgici.