Il museo illustra e documenta la ricerca archeologica nell'area della valle del fiume Fiora, con reperti che spaziano dal Paleolitico all'Età del bronzo.

Il percorso espositivo si articola in sei sale.

- La prima sala illustra il territorio della valle e i metodi di ricerca adottati negli scavi archeologici.
- La seconda sala è dedicata al Paleolitico, con manufatti in pietra rinvenuti nelle aree di Montauto, di Vulci e del Monte Amiata.
- La terza sala espone reperti appartenenti ai primi insediamenti stabili del Neolitico (VI-III millennio a.C.), con le prime testimonianze di oggetti in ceramica.
- La quarta sala illustra l'Età del rame, con numerosi reperti dalla Civiltà di Rinaldone, rinvenuti nelle necropoli di Ponte San Pietro (Ischia di Castro), Poggialti Vallelunga, Corano (Pitigliano) e Le Calle (Manciano).
- La quinta e sesta sala sono riservate all'Età del bronzo: un ampio spazio è dedicato ai reperti rinvenuti nella località di Scarceta, risalenti al XVI-X secolo a.C. Sono esposte anche le armi in bronzo provenienti da Montemerano, frammenti di oggetti in ceramica e corredi funebri.