A l'intérieur, une partie de la collection est entièrement consacrée à l'histoire de la ville pendant la Préhistoire et la dernière période de l'Empire romain. La collection égyptienne (l'une des plus importantes d'Europe), complètement réorganisée, les collections gréco-romaine et étrusque font du musée, l'un des plus significatifs d'Italie. La collection égyptienne qui provient d'une donation de Palagi posséde des pièces de valeur considérable comme les reliefs du tombeau d'Horemheb. Parmi les pièces d'intérêt majeur, placée dans le hall d'entrée, nous signalons la tête en marbre de Atena Lemnia (copie de l'époque impériale romaine du bronze de Fidia), attribuée à l'empereur Néron; et les riches dons funéraires des tombes étrusques.

Une série de pierres milliaires de la Via Emilia est conservée dans la cour, avec de nombreuses stèles funéraires qui proviennent du prétendu "mur du Reno" , et avec des pierres tombales de l'ancien cimetière juif de Via Orfeo. La gypsothèque, composée de copies en plâtre de célèbres sculptures grecques et romaines, et la section informatique : un nouvel espace réservé au public, constituent une nouveauté de grand intérêt. On y trouve également une riche et précieuse collection de pièces de monnaie et de médailles byzantines, grecques, romaines, médiévales, de la Renaissance et modernes (italiennes et étrangères). La bibliothèque du musée recueille des volumes et des revues spécialisés en archéologie, en science numismatique, en restauration et conservation.

Le premier noyau du Museo Civico Archeologico, qui accueillit aussi bien la collection de classiques de Palagi que les matériaux provenant des excavations de la Certosa (la Chartreuse), fut inauguré le 2 octobre 1871 à l'occasion du Vème Congrès International d'Archéologie et d'Anthropologie préhistorique, en présence du Prince Hubert de Savoie. L'édifice qui abrite le musée fut conçu dans sa forme actuelle en 1565, par l'architecte bolonais Antonio Morandi dit le "Terribilia", qui y ajouta le portique.