Il museo è diviso in diverse sezioni, tra le quali degne di nota sono la sezione archeologica e la sezione medievale. Un'ampia spazio è dedicato alla pittura del Trecento ed ospita, oltre a numerose opere della Scuola riminese del Trecento, anche opere di Giovanni Bellini, Domenico Ghirlandaio, Guercino, Guido Cagnacci, ecc..

La sezione archeologica espone i reperti della cosiddetta "domus del chirurgo", una abitazione romana della seconda metà del II secolo, scoperta nel 1989 in Piazza Ferrari a pochi metri dal museo. Di eccezionale importanza per numero e varietà gli strumenti chirurgici, che rappresentano uno dei più importanti corredi di attrezzi medici mai rinvenuto. Sono presenti numerosi mosaici di epoca romana, di particolare bellezza ed importanza.