Το Μουσείο διαθέτει προθάλαμο με πωλητήριο του Ταμείου Αρχαιολογικών Πόρων και τρεις αίθουσες, όπου αναπτύσσεται η έκθεση των ευρημάτων από το νησί, τα οποία χρονολογούνται από την Παλαιολιθική έως την υστερορρωμαϊκή περίοδο.

Αίθουσα Ι

Στην αίθουσα Ι εκτίθενται πυριτολιθικά εργαλεία της παλαιολιθικής περιόδου, που βρέθηκαν σε αφθονία στη Σάμη, το Φισκάρδο και την Σκάλα, διάφορα αντικείμενα των νεολιθικών χρόνων, που βρέθηκαν κατά καιρούς στο νησί - το μεγαλύτερο μέρος προέρχεται από τη σπηλιά της "Δράκαινας" στον Πόρο. Παρουσιάζονται, ακόμη, αντιπροσωπευτικά πήλινα σκεύη της Μεσοελλαδικής περιόδου, κυρίως από τους κιβωτιόσχημους τάφους των Κοκκολάτων, αλλά και πολύτιμη μικροτεχνία και κεραμική από τους λακκοειδείς και τους δύο θολωτούς τάφους στα Κοκκολάτα, που ανήκουν στην τελευταία μυκηναϊκή περίοδο (Υστεροελλαδική ΙΙΙ Α2 - ΙΙΙ Γ, 1390/70 - 1060/40 π.Χ.).

Αίθουσα ΙΙ

Η σημαντικότερη περίοδος για την Κεφαλονιά είναι η μυκηναϊκή, στην οποία έχει αφιερωθεί ολόκληρη η αίθουσα ΙΙ. Σε εννέα προθήκες παρουσιάζονται τα αντιπροσωπευτικότερα αντικείμενα από την ογκώδη, σε σχέση με την έκταση του νησιού, μυκηναϊκή συλλογή του Μουσείου, που καταδεικνύουν όλες τις εκφάνσεις αυτού του πολιτισμού. Στη συντριπτική τους πλειονότητα προέρχονται από τάφους.

Αίθουσα ΙΙΙ

Τα εκθέματα της αίθουσας ΙΙΙ σχετίζονται με την Κεφαλληνιακή τετράπολη του 5ου αιώνα π.Χ., που αποτελούσαν τέσσερις πόλεις-κράτη, η Πάλη, η Κράνη, οι Πρόννοι και η Σάμη. Εκτίθενται ευρήματα από την περιοχή της Παλικής, ανάμεσα στα οποία ξεχωρίζουν υδρία του 8ου αιώνα π.Χ. και μαρμάρινη κεφαλή γενειοφόρου Σιληνού και πλαστικό αγγείο σε μορφή κεφαλής δούλου, ρωμαικών χρόνων. Παρουσιάζονται, ακόμη, αντικείμενα από το πλούσιο ρωμαϊκό νεκροταφείο στο Φισκάρδο, από το νεκροταφείο των Κοκκολάτων και των Μεταξάτων, από τις περιοχές της Κράνης και των Πρόννων, και από το λατρευτικό σπήλαιο των Διακάτων, από τη Σάμη και την ευρύτερη περιοχή της, για την οποία γνωρίζουμε περισσότερα στοιχεία με αφορμή τις ανασκαφές σωστικού χαρακτήρα που διεξάγονται εκεί.