- Οι προϊστορικοί χρόνοι στην Ολυμπία (αίθουσα 1)
Η εισαγωγή στην ιστορία της Ολυμπίας γίνεται στην πρώτη αίθουσα, όπου εκτίθενται ευρήματα της προϊστορικής εποχής. Πρόκειται για κεραμική και λίθινα εργαλεία κυρίως της Πρωτοελλαδικής ΙΙ και ΙΙΙ περιόδου (2700-2000 π.Χ.) και για τη διεξοδική παρουσίαση του τύμβου του Πελοπίου, του οποίου το πρόπλασμα εκτίθεται στο κέντρο της αίθουσας. Η συνέχιση κατοίκησης του χώρου προβάλλεται μέσα από τα ευρήματα της μυκηναϊκής εποχής (1600-1100 π.Χ.), πήλινα, λίθινα, χάλκινα αντικείμενα και κοσμήματα, προερχόμενα από θαλαμωτούς τάφους που αποκαλύφθηκαν στην περιοχή του μουσείου.

- Γεωμετρική-αρχαϊκή εποχή (αίθουσα 2)
Η ενότητα περιλαμβάνει την πλούσια συλλογή από χάλκινα αντικείμενα των γεωμετρικών και αρχαϊκών χρόνων, που ήταν αναθήματα στο Ιερό του Δία και αποτελούν μέρος μόνο της πολυπληθούς συλλογής του Μουσείου, που είναι η πλουσιότερη στον κόσμο. Ειδώλια ανθρώπων και ζώων, χάλκινα σφυρήλατα ελάσματα, λέβητες και τρίποδες, άλλα σκεύη και εξαρτήματα, γρύπες και σειρήνες, μοναδικά έργα κοροπλαστικής, είναι τα αντικείμενα εκείνα που δηλώνουν τη μεγαλειώδη πορεία της Ολυμπίας την περίοδο αυτή. Ξεχωριστή θέση κατέχει ο αμυντικός και επιθετικός οπλισμός, κράνη, κνημίδες, επισήματα ασπίδων και περίτεχνοι θώρακες, που είχαν αφιερωθεί στο Δία. Εκτίθεται, ακόμη, το πήλινο ακρωτήριο του Ηραίου, ενώ το λίθινο αρχαϊκό κεφάλι της Ήρας εισάγει τον επισκέπτη στη μεγάλη πλαστική.

- Ύστερη αρχαϊκή εποχή και αρχιτεκτονική πλαστική (αίθουσα 3)
Εκτίθενται κεραμική, χάλκινα κοσμήματα και σκεύη, καθώς και ορισμένα από τα πιο αξιόλογα αρχιτεκτονικά μέλη διαφόρων μνημείων, που φέρουν γραπτή διακόσμηση. Μεταξύ αυτών ξεχωρίζουν το αέτωμα του θησαυρού των Μεγαρέων, το γείσο του θησαυρού των Γελώων και ένας λέοντας-υδρορρόη.

- Αυστηρός ρυθμός (αίθουσα 4)
Εντυπωσιακά είναι τα έργα της μεγάλης πηλοπλαστικής, που παρουσιάζονται σε αυτή την ενότητα, με σημαντικότερο το σύμπλεγμα Δία-Γανυμήδη. Εκτίθενται, ακόμη, ένας πολιορκητικός κριός, το κράνος του Μιλτιάδη και δύο κράνη του Ιέρωνα.

- Γλυπτός διάκοσμος του ναού του Δία (αίθουσα 5)
Στη μεγάλη κεντρική αίθουσα εκτίθενται οι μοναδικές μαρμάρινες αετωματικές συνθέσεις και οι μετόπες από το ναό του Δία, τα πλέον αντιπροσωπευτικά δείγματα αυστηρού ρυθμού, που αποτελούν τη σημαντικότερη εκθεσιακή ενότητα του μουσείου.

- Νίκη του Παιωνίου (αίθουσα 6)
Στη μικρή αίθουσα δεσπόζει το άγαλμα της Νίκης, δημιούργημα του γλύπτη Παιωνίου, από τα λαμπρότερα έργα της κλασικής περιόδου.

- Ο Φειδίας και το εργαστήριό του (αίθουσα 7)
Μία αίθουσα είναι αφιερωμένη στο γλύπτη Φειδία και στην κατασκευή του περίφημου έργου του, του χρυσελεφάντινου αγάλματος του Δία, ένα από τα 7 θαύματα του αρχαίου κόσμου. Εκτίθενται μήτρες, εργαλεία, κεραμική, το περίφημο κύπελλο του Φειδία, ζωγραφική αναπαράσταση του αγάλματος, το πρόπλασμα του εργαστηρίου και άλλα αντικείμενα που βρέθηκαν στο χώρο του εργαστηρίου.

- Ερμής του Πραξιτέλη (αίθουσα 8)
Το εντυπωσιακό άγαλμα του Ερμή, έργο του γλύπτη Πραξιτέλη, είναι ο κυριότερος εκπρόσωπος της τέχνης στο τέλος του 4ου αι. π.Χ. Εκτίθεται στο κέντρο της αίθουσας και προστατεύεται με πρωτοποριακό αντισεισμικό σύστημα που έχει τοποθετηθεί στη βάση του.

- Ύστερη κλασική και ελληνιστική εποχή (αίθουσα 9)
Παρουσιάζονται ευρήματα των υστεροκλασικών και ελληνιστικών χρόνων από την Ολυμπία, όπως κεραμική, γλυπτά και αρχιτεκτονικά μέλη.

- Ρωμαϊκά γλυπτά (αίθουσες 10-11)
Εκτίθεται η ιδιαίτερα πλούσια συλλογή των γλυπτών της ρωμαϊκής εποχής. Εξέχουσα θέση κατέχουν τα αγάλματα από το Νυμφαίο του Ηρώδη του Αττικού, που έχουν τοποθετηθεί στον καμπύλο τοίχο της αίθουσας 10, έτσι ώστε να προσεγγίζουν την αρχική τους θέση στο μνημείο.

- Τα τελευταία χρόνια της ζωής του ιερού (αίθουσα 12)
Η παρουσίαση της ιστορίας του ιερού ολοκληρώνεται με τα εκθέματα της τελευταίας αίθουσας, που αντιπροσωπεύουν τους τελευταίους αιώνες κατοίκησης στην περιοχή από το 2ο αι. μ.Χ. έως τον 6ο-7ο αι. μ.Χ., οπότε και εγκαταλείφθηκε ο χώρος. Πρόκειται για πήλινα, χάλκινα, σιδερένια και γυάλινα ευρήματα κάθε είδους.