Στο Μουσείο εκτίθενται περί τα 3000 εκθέματα και είναι κυρίως ευρήματα από την περιοχή του Πυθαγορείου, ταξινομημένα θεματικά και χρονολογικά από τη νεολιθική εποχή (4η χιλιετία π.Χ.) έως την παλαιοχριστιανική (7ος αιώνας μ.Χ.). Καταδεικνύεται η σπουδαία θέση που κατείχε το νησί στον ελλαδικό χώρο και φωτίζουν όψεις της ιστορικής και πολιτισμικής εξέλιξης της αρχαίας Σάμου.
Περιέχει συλλογές από τα ευρήματα του νεολιθικού οικισμού του Κάστρου και από τη γεωμετρική νεκρόπολη της αρχαίας Σάμου, κεραμική από τον 2ο προχριστιανικό αιώνα, καθώς και ένα σημαντικό σύνολο γλυπτών της αρχαϊκής και ρωμαϊκής περιόδου.
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.
Στον όροφο του Μουσείου τα εκθέματα παρουσιάζονται κατά θεματικές ενότητες.
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.
Μεταξύ των σημαντικότερων εκθεμάτων του μουσείου είναι:
- Μαρμάρινο καθιστό άγαλμα του Αιάκη, το οποίο σύμφωνα με την επιγραφή, 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. Βρέθηκε στο Πυθαγόρειο και χρονολογείται περί το 540 π.Χ.
- Μεγάλη μαρμάρινη σαρκοφάγος σε σχήμα ναόσχημου οικοδομήματος. Δεύτερο μισό 550-530 π.Χ.
- Μικρή πορώδης τάφος. Είναι στεγασμένο με παλμέτα και φέρει την επιγραφή «Διαγόρας της Δήλου”. Με ημερομηνία 530 π.μ ..
- Μαρμάρινη προτομή του Ρωμαίου Αυγούστου του 1ου αιώνα π.χ. (ύψος 0,49 μ.).
- Μαρμάρινη προτομή του Ρωμαίου Κλαυδίου του 1ου αιώνα π.χ. (ύψος 0,53μ.).
- 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)
- 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.
- 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.
