Στο Μουσείο εκτίθενται περί τις 3000 ευρήματα από την αρχαία πόλη της Σάμου και την ύπαιθρο της (αγγεία, γλυπτά, νομίσματα, μικροαντικείμενα κ.ά.), που προέρχονται από τις σωστικές και συστηματικές ανασκαφές. Μέσα από τα αντικείμενα παρουσιάζεται η ιστορική πορεία της αρχαίας πόλης και της υπαίθρου από την 4η χιλιετία π.Χ. μέχρι τον 7ο αι. μ.Χ. και καταδεικνύεται η σπουδαία θέση που κατείχε το νησί στον ελλαδικό χώρο. Τα αντικείμενα, που εκτίθενται χρονολογικά και θεματικά, φωτίζουν όψεις της ιστορικής και πολιτισμικής εξέλιξης της αρχαίας Σάμου.

Στις συλλογές του μουσείου περιλαμβάνονται ευρήματα από το νεολιθικό οικισμό του Κάστρου και από τη γεωμετρική νεκρόπολη της αρχαίας Σάμου, κεραμική από τον 9ο έως τον 2ο προχριστιανικό αιώνα, καθώς και ένα σημαντικό σύνολο γλυπτών της αρχαϊκής και ρωμαϊκής περιόδου. Για την οργάνωση της έκθεσης, που δομείται θεματικά και χρονολογικά, δόθηκε βαρύτητα στην επιστημονικά τεκμηριωμένη παρουσίαση των εκθεμάτων, στην ανάδειξη του εκπαιδευτικού χαρακτήρα τους, αλλά, παράλληλα, και στην αισθητική τους προβολή, έτσι ώστε να δημιουργηθεί μια ευχάριστη, διδακτική και κατανοητή αφήγηση της ιστορίας του νησιού.

Στην έκθεση εισάγει ένα τρισδιάστατο πρόπλασμα της αρχαίας πόλης της Σάμου, όπου σημειώνονται τα σημαντικότερα μνημεία, ενώ παράλληλα σε οθόνη προβάλλονται εικόνες από τους Αρχαιολογικούς Χώρους της πόλης. Στο ισόγειο του Μουσείου παρουσιάζεται, μέσα από τα ανασκαφικά ευρήματα, η ιστορική πορεία της αρχαίας πόλης της Σάμου κατά χρονικές περιόδους, και εκτίενται επίσης ευρήματα από νεκροταφεία, που ερευνήθηκαν στην ύπαιθρο (περιοχές Μύλων, Μυτιληνιών, Μαυρατζαίων). Η έκθεση του ισογείου κλείνει με τον βυζαντινό θησαυρό (300 χρυσά νομίσματα, χρυσά κοσμήματα), που βρέθηκε το 1984 στη Μεγάλη Λάκκα Βαθέος από την Ολλανδή Αρχαιολόγο κ. Saskia de Melker, η οποία και τον παρέδωσε στο Αστυνομικό τμήμα. Σε μια χωριστή ενότητα εκτίθενται μαρμάρινες επιγραφές από τον Αρχαιολογικό Χώρο του Ηραίου - ψηφίσματα του Δήμου των Σαμίων.

Στον όροφο του Μουσείου τα εκθέματα παρουσιάζονται κατά θεματικές ενότητες: Ρωμαίοι αυτοκράτορες, Νεκροπόλεις της αρχαίας πόλης Σάμου από τους γεωμετρικούς χρόνους μέχρι τον 4ο-7ο αι. μ.Χ., Ιερά, γλυπτά (από τους αρχαϊκούς μέχρι τους ρωμαϊκούς χρόνους), κατοικία και αντικείμενα της καθημερινής ζωής. Στον όροφο υπάρχει επίσης αίθουσα για την πληροφόρηση των επισκεπτών.

Στον υπαίθριο χώρο του Μουσείου εκτίθενται μαρμάρινα και λίθινα αρχιτεκτονικά μέλη από το χώρο της αρχαίας πόλης, ενώ ο επισκέπτης έχει τη δυνατότητα να επισκεφθεί τμήμα της αρχαίας συνοικίας που βρισκόταν στο κέντρο της αρχαίας πόλης, το οποίο έχει εν μέρει ανασκαφεί.

Σημαντικά εκθέματα του μουσείου είναι:

Θησαυρός 300 βυζαντινών νομισμάτων του 7ου αι. μ.Χ. Από τη Μεγάλη Λάκα (Βρέθηκε και παραδόθηκε από την Ολλανδή αρχαιολόγο Saskia de Melker το 1984)

Μαρμάρινο καθιστό άγαλμα του Αιάκη, πατέρα του τυράννου της Σάμου Πολυκράτη. Βρέθηκε στο Πυθαγόρειο και χρονολογείται περί το 540 π.Χ. Σύμφωνα με τη σωζόμενη επιγραφή, το άγαλμα ήταν αφιέρωμα του Αιάκη προς την Ήρα, από τη δεκάτη των κερδών που είχε αποκομίσει από την πειρατεία.

Μεγάλη μαρμάρινη σαρκοφάγος σε σχήμα ναόσχημου οικοδομήματος. Δεύτερο μισό 550-530 π.Χ.

Ανθεμωτές επιστέψεις επιτύμβιων στηλών. 560 - 490 π.Χ.

Μαρμάρινο άγαλμα του Ρωμαίου αυτοκράτορα Τραϊανού, υπερφυσικού μεγέθους (ύψος 2.71 μ.). Γύρω στο 114 μ.Χ.

Μαρμάρινες προτομές των Ρωμαίων αυτοκρατόρων Αυγούστου και Κλαυδίου. 1ος αι. π.Χ.

Πυξίδα (αγγείο για φύλαξη κοσμημάτων), 550-525 π.Χ., με παράσταση της υποδοχής του Ηρακλή στον Όλυμπο, όπου παντρεύεται την Ήβη. Στην υποδοχή και το γάμο παρευρίσκονται όλοι οι θεοί: Ειλείθυια, Ερμής, Αθηνά, Διόνυσος, Αφροδίτη, Άρης, Δήμητρα, Ποσειδώνας, Ήρα, Δίας, Εστία, Απόλλωνας, Άρτεμις