Η περίοδος ακμής του Ακρωτηρίου (17ος αι. π.Χ.) ζωντανεύει με την ανάπτυξη επί μέρους τομέων της ζωής και της δραστηριότητας των κατοίκων της προϊστορικής πόλης. Το Ακρωτήρι είχε ήδη εξελιχθεί σε αστικό κέντρο και τη στιγμή του ενταφιασμού του από τη λάβα είχε ήδη φθάσει στο απώγειο της ακμής του. Μέσα στα σπίτια και στους δημόσιους χώρους βρέθηκε πληθώρα αντικειμένων, ακριβώς έτσι όπως τα άφησαν οι ιδιοκτήτες τους: είδη οικοσκευής, χάλκινα σκεύη, εργαλεία και όπλα, αντικείμενα που μαρτυρούν την άσκηση μεταλλοτεχνίας, καλάθια. Χαρακτηριστικά αντικείμενα εκτίθενται στις προθήκες της αίθουσας Δ1, ενώ μοναδικά ανάμεσα στα πολυάριθμα εκθέματα της περιόδου είναι τα γύψινα εκμαγεία επίπλων.

Στην αίθουσα Δ2 εκτίθενται χαρακτηριστικά αντικείμενα που χρησιμοποιήθηκαν από την πολύπλοκη κοινωνία του Ακρωτηρίου στα συστήματα καταγραφής και μέτρησης: μεμονωμένα σύμβολα επάνω σε αγγεία, σκεύη με τυποποιημένο μέγεθος και σταθερή χωρητικότητα, σφραγίσματα και σφραγίδες, μολύβδινα σταθμά, και πινακίδες της Γραμμικής Α γραφής. Από τα πιο εντυπωσιακά εκθέματα του μουσείου είναι τα μεγαλοπρεπή τοιχογραφικά σύνολα και αποσπάσματα άλλων, που βρέθηκαν σε ιδιωτικά και δημόσια κτήρια της πόλης του Ακρωτηρίου και εκτίθενται στην αίθουσα Δ3: τοιχογραφία Γυναικών και Παπύρων, τοιχογραφία Πιθήκων, "Αφρικανός", Σεβίζοντες πίθηκοι, Πτηνό, φυτικά θέματα, είναι τα πιο γνωστά. Οι τοιχογραφίες είναι εξαιρετικής σημασίας γιατί μας δίνουν πολύτιμες πληροφορίες για τη ζωή και το περιβάλλον, ωστόσο ο επισκέπτης του Μουσείου έχει εδώ την ευκαιρία να δει και την τεχνική κατασκευής τους, καθώς εκτίθενται χαρακτηριστικά αγγεία με ίχνη χρώματος, κομμάτια χρωστικών ουσιών και εξαρτήματα. Επίσης, μπορεί να δει την εξέλιξη της τεχνοτροπίας, καθώς εκτίθενται και θραύσματα παλιότερων τοιχογραφιών.

Αξιόλογα είναι τα πολυπληθή και πολυτελή πήλινα σκεύη που εκτίθενται στην αίθουσα Δ4. Χαρακτηριστικά σκεύη πρακτικής καθημερινής χρήσης, αλλά και τελετουργικά, μας δίνουν πληροφορίες για την τεχνολογία της κεραμικής στην προϊστορική Θήρα, αλλά και για τη διακόσμηση των σκευών με παραστάσεις εμπνευσμένες από τη φύση και τη ζωή. Η τέχνη της αγγειογραφίας αναπτύχθηκε και κορυφώθηκε στον 17ο αι. π.Χ. και τα θέματα που χρησιμοποιεί θυμίζουν σε πολλά σημεία τα θέματα των τοιχογραφιών. Ο επισκέπτης του Μουσείου μπορεί να κάνει τη σύγκριση βλέποντας τα αγγεία της αίθουσας Δ5.

Τα κοσμήματα που βρέθηκαν στο Ακρωτήρι είναι λιγοστά, προφανώς γιατί οι κάτοικοι πριν εγκαταλείψουν την πόλη πήραν μαζί τους τα πολύτιμα αντικείμενα. Χάντρες, περίπατα και περόνες, από ημιπολύτιμους λίθους, οστό και και χαλκό, εκτίθενται στην αίθουσα Δ6. Ο κοσμοπολίτικος χαρακτήρας του Ακρωτηρίου και οι σχέσεις του με άλλες περιοχές του Αιγαίου και της Ανατολικής Μεσογείου είναι το θέμα που επικρατεί στην αίθουσα Δ7. Εκτίθενται πήλινα αγγεία από διάφορες περιοχές του Αιγαίου, λίθινα σκεύη από την Κρήτη και την Ανατολική Μεσόγειο, καθώς και τοιχογραφίες με εξωτικά θέματα.