Μέσα από 463 αρχαία αντικείμενα που εκτίθενται στο Μουσείο παρουσιάζεται η ιστορία των Ολυμπιακών Αγώνων της αρχαιότητας. Αναφορά γίνεται στη γέννηση του αθλητισμού στον ελλαδικό χώρο, καθώς και στους άλλους πανελληνίους αγώνες και τα Παναθήναια. Τα εκθέματα χρονολογούνται από τη 2η χιλιετία π.Χ. έως και τον 5ο αι. μ.Χ. και παρατίθενται κατά θεματικές ενότητες. Ιδιαίτερη θέση κατέχουν τα γεωμετρικά ειδώλια, οι επιγραφές, τα γλυπτά, η κεραμική με παραστάσεις αγωνισμάτων, ο λίθος του Βίβωνα και η βάση του Πολυδάμαντα, έργο του μεγάλου γλύπτη Λύσιππου, ο αλτήρας του Ακματίδη κ. ά.

Η έκθεση απαρτίζεται από 14 θεματικές ενότητες, αρχίζοντας από την εμφάνιση του αθλητισμού στην Ελλάδα που παρουσιάζεται μέσα από μικροευρήματα και κεραμική μινωϊκών και μυκηναϊκών χρόνων. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά σε έναν από τους μυθικούς ιδρυτές των Ολυμπιακών αγώνων, τον Ηρακλή, με εκθέματα που αφορούν στον ήρωα. Η παρουσίαση του Ιερού του Διός της Ολυμπίας κατά τους πρώτους ιστορικούς αιώνες, όταν καθιερώθηκαν οι αγώνες ως πανελλήνιοι, γίνεται με τα πρώτα ειδώλια ηνιόχων της περιόδου που παραπέμπουν σε αγώνες αρματοδρομίας, καθώς και με λέβητες-τρίποδες, τα πρώτα βαρύτιμα αφιερώματα στο Δία. Η οργάνωση των αγώνων παρουσιάζεται μέσα από λίθινες και χάλκινες επιγραφές της Ολυμπίας, που δίνουν πολύτιμες μαρτυρίες για τους υπεύθυνους της οργάνωσής τους. Αλτήρες, στλεγγίδες, κεραμική, ανάγλυφα με παραστάσεις αθλητών συνθέτουν την ενότητα προετοιμασίας των αθλητών. Στην ενότητα γυναίκες και άθληση παρουσιάζεται η βάση από το ανάθημα της Κυνίσκας, πρώτης γυναίκας που στέφθηκε ολυμπιονίκης για νίκη σε αρματοδρομία ως ιδιοκτήτρια αλόγων, ενώ η βάση του Δαμάγητου και του Δωριέα, γιων του μεγάλου Ολυμπιονίκη Διαγόρα, παραπέμπουν στο γνωστό επεισόδιο της Καλλιπάτειρας.

Τα Ολυμπιακά αγωνίσματα παρουσιάζονται μέσα από μικρά αντικείμενα ή μεγάλα έργα πλαστικής που έχουν σχέση με αυτά, όπως ειδώλια ιππέων, αρμάτων, κεραμική με παραστάσεις αγωνισμάτων, δίσκοι, αλτήρες, ακόντια, ειδώλια παλαιστών και πυγμάχων, κεραμική με ανάλογες παραστάσεις, ενώ οι ενεπίγραφες βάσεις αγαλμάτων, μας θυμίζουν ονόματα και κατορθώματα Ολυμπιονικών. Παραστάσεις Νίκης απαρτίζουν την ενότητα για την Ολυμπιακή νίκη, λέβητες, τρίποδες και χάλκινοι αναθηματικοί κότινοι αφορούν στα αναθήματα και τα έπαθλα. Γλυπτά ρωμαίων αυτοκρατόρων και νομίσματα μας πληροφορούν για το τέλος των Αγώνων, ενώ οι υπόλοιποι Πανελλήνιοι Αγώνες και τα Παναθήναια παρουσιάζονται με ειδώλια, κεραμική και ανάγλυφα.