Στον προθάλαμο του Αρχαιολογικού Μουσείου παρουσιάζεται η ιστορία των ανασκαφών στο ιερό της Αρτέμιδος στη Βραυρώνα (1948–1963) και οι εργασίες για την αναστήλωση της Στοάς, του μεγαλύτερου και καλύτερα διατηρημένου κτηρίου που ήλθε στο φως.

Στην αίθουσα 1 προβάλλονται διαχρονικά οι οικισμοί, που οργανώθηκαν στην ευρύτερη περιοχή της Βραυρώνας από τα προϊστορικά χρόνια έως τη συγκρότηση του αρχαίου δήμου των Φιλαϊδών, θρησκευτικό κέντρο του οποίου υπήρξε το ιερό της Αρτέμιδος. Οι οικισμοί στο Πούσι-Καλογέρι, στον Πύργο Βραυρώνας, στον παραθαλάσσιο λόφο της Βραυρώνας και το μυκηναϊκό νεκροταφείο στο λόφο Λαπούτσι δίνουν μια ολοκληρωμένη εικόνα της προϊστορικής εποχής από το τέλος της Νεολιθικής Εποχής έως την Ύστερη Εποχή του Χαλκού (6η – 2η χιλ. π.Χ.). Από τον δήμο των Φιλαϊδών εκτίθενται αρχαία από το μικρό αρχαϊκό ιερό στο λόφο του Αγίου Δημητρίου και από τα νεκροταφεία της Καψάλας και του Καράμπαμπα. Στην ίδια αίθουσα παρουσιάζονται τα μνημεία του ιερού της Βραυρώνας, που χρονολογούνται στον 5ο αι. π.Χ.: ο δωρικός Ναός της Αρτέμιδος, η Στοά, το Ηρώο της Ιφιγένειας και η Ιερά Οικία, που οικοδομήθηκαν στους βόρειους πρόποδες του λόφου, εκεί που κατά τον ανασκαφέα υπήρχε το αναφερόμενο στις πηγές «Κενήριον Ιφιγένειας», η πώρινη τετράγωνη οριζόντια γέφυρα, καθώς επίσης και ο μεταβυζαντινός ναός του Αγίου Γεωργίου (15ος αι. μ.Χ.). Εκτίθενται επίσης ευρήματα από μνημεία της ευρύτερης περιοχής, την παλαιοχριστιανική βασιλική και το μεσαιωνικό Πύργο Βραυρώνας, καθώς και από τα γειτονικά ιερά του αρχαίου δήμου των Αλών Αραφηνίδων (Ναός Αρτέμιδος Ταυροπόλου και μικρό ιερό παραλίας στην Αρτέμιδα/Λούτσα).

Στην αίθουσα 2 αναπτύσσονται ενότητες σχετικά με την ίδρυση του ιερού της Αρτέμιδος, τα λατρευτικά δρώμενα προς τιμήν της θεάς και οι ιδιότητες με τις οποίες προβάλλεται η ’ρτεμις στη Βραυρώνα. Σημαντικότερα εκθέματα είναι: Το μαρμάρινο «Ανάγλυφο των Θεών», το οποίο συμπυκνώνει εικονογραφικά τον μύθο της ίδρυσης του ιερού, τα αναθηματικά ανάγλυφα του 5ου και 4ου αι.π.Χ. με πομπές οικογενειών, που ετοιμάζονται να πραγματοποιήσουν θυσία, μαρμάρινα άκρα από τα ακρόλιθα λατρευτικά αγάλματα της Αρτέμιδος, τα οποία σύμφωνα με τις επιγραφές έφεραν πραγματικά ενδύματα και οι κρατηρίσκοι, τελετουργικά αγγεία συνδεδεμένα με τη λατρεία της Αρτέμιδος.

Εκτίθενται επίσης πήλινοι αναθηματικοί πίνακες, πήλινα ειδώλια και αγγεία που εικονίζουν την Αρτέμιδα με διάφορες ιδιότητές της ως ’ρτεμι-Εκάτη, ως Ταυροπόλο και ως Κυνηγέτιδα και Προστάτιδα των Ζώων.

Στην αίθουσα 3 εκτίθενται τα πολυάριθμα αγαλμάτια μικρών αγοριών και κοριτσιών, καθώς η ’ρτεμις ήταν θεά προστάτιδα του τοκετού και των παιδιών. Οι γονείς αφιέρωναν τα αγαλματίδια για να ευχαριστήσουν ή να παρακαλέσουν τη θεά να προστατέψει τα παιδιά τους, ενώ τα παιχνίδια (σπόνδυλοι ψαριών, αστράγαλοι, ζάρια, μικρογραφικά αγγεία, πλαγγόνες), αποτελούσαν αφιερώματα των παιδιών στη θεά.

Στην αίθουσα 4 παρουσιάζονται αφιερώματα-προσωπικά αντικείμενα των γυναικών προς τη θεά με αφορμή το γάμο τους ή τη γέννηση των παιδιών τους: πυξίδες, μεταξύ των οποίων λίθινες και ξύλινες, που χρονολογούνται από τον 9ο έως τον 4ο αι. π.Χ. και προορίζονταν για τη φύλαξη ειδών καλλωπισμού και κοσμημάτων, αρωματοδοχεία, κυρίως ληκύθια και αλάβαστρα του 6ου και του 5ου αι.π.Χ., κοσμήματα και χάλκινα κάτοπτρα, με χαρακτηριστικότερο το ενεπίγραφο κάτοπτρο της Ιππύλας.

Η ’ρτεμις προβάλλεται στη συνέχεια ως προστάτιδα της χειροτεχνίας και της υφαντικής, με την έκθεση του μαρμάρινου αναθηματικού αναγλύφου με την Αρτέμιδα «νήθουσα», καθώς και άλλων αντικειμένων που συνδέονται με την υφαντική, όπως πήλινων αγνύθων, σφονδυλιών και επινήτρων. Με την ιδιότητα της Αρτέμιδος ως προστάτιδας των γυναικών, του γάμου και της οικογενειακής ζωής σχετίζεται και η αφιέρωση αγγείων συνδεδεμένων με τον γάμο, γαμικών λεβήτων και λουτροφόρων και επίσης μαρμάρινων αγαλματίων νεαρών γυναικών και ανδρών του 4ου αι.π.Χ.

Ξεχωριστή θέση κατέχουν τα μοναδικά ξύλινα αναθήματα από το Ιερό της Βραυρώνας, μεταξύ των οποίων περιλαμβάνονται ειδώλια, αγγεία και τεμάχια επένδυσης επίπλων. Στο κέντρο της ίδιας αίθουσας δεσπόζει ο μεγάλος μαρμάρινος κυλινδρικός βωμός του τέλους του 4ου αι. π.Χ., που απεικονίζει την υποδοχή του Διόνυσου ως φιλοξενούμενου θεού στο ιερό της Βραυρωνίας Αρτέμιδος.

Στην προτελευταία προθήκη της αίθουσας 4 περιλαμβάνονται πινάκια, αγγεία συμποσίου (υδρίες, κρατήρες, κύλικες) και λυχνάρια, τα περισσότερα από τα οποία είχαν χρησιμοποιηθεί για το φωτισμό του ιερού, ενώ άλλα είχαν πιθανώς προσφερθεί ως αναθήματα, όπως το μεγάλο μαρμάρινο λυχνάρι του 7ου αι. π.Χ. Στην τελευταία ενότητα της αίθουσας 4 περιλαμβάνεται μεγάλος αριθμός από τα γυναικεία ειδώλια που αφιέρωναν οι γυναίκες στη θεά από τον 7ο έως τον 4ο αι. π.Χ. Παρουσιάζονται οι πιο χαρακτηριστικές κατηγορίες, από τα αρχαϊκά σανιδόμορφα έως τις χαριτωμένες «ταναγραίες». Ξεχωριστή ομάδα αποτελούν τα ανθρωπόμορφα πήλινα αγγεία (6ος – 4ος αι. π.Χ.).

Η αίθουσα 5 είναι αφιερωμένη στην ιστορία των αρχαίων δήμων και περιοχών της Μεσογαίας: εκτίθενται επιτύμβια μνημεία και ευρήματα από την Παιανία, αρχαιότητες προϊστορικών και ιστορικών χρόνων από την περιοχή του Κορωπίου και τους αρχαίους δήμους των Λαμπτρών και της Όης, αντιπροσωπευτικά εκθέματα από τις ανασκαφές του αρχαίου Μυρρινούντος (σημερινή Μερέντα Μαρκοπούλου), από το υστερομυκηναϊκό νεκροταφείο της Περατής στο Πόρτο-Ράφτη (1190/1185-1075 π.Χ.) και από το γεωμετρικό νεκροταφείο του Αγ. Παντελεήμονος Αναβύσσου.