A més del subsòl arqueològic de 4.000 m2, situat sota la plaça, el conjunt és format pel Palau Comtal, del segle XI, posteriorment Palau Reial Major, residència dels reis de Catalunya i Aragó a la ciutat, on destaquen el Saló del Tinell i la capella palatina de Santa Àgata, del segle XIV. Més tard, es va construir la torre-mirador del rei Martí del segle XVI. La Casa Padellàs, palau gòtic traslladat al principi del segle XX a la plaça del Rei, completa el conjunt monumental.

La col·lecció del museu consta principalment d’objectes procedents d'excavacions que comprenen materials tan diversos com ceràmica, material lític, inscripcions, vidre, orfebreria, escultura de marbre i pedra, elements arquitectònics, material orgànic, monedes, etc.,amb una cronologia que abasta des del període neolític fins als nostres dies. Cal destacar la col·lecció de retrats romans, procedents majoritàriament de les excavacions fetes a les muralles romanes, l'epigrafia romana i hebrea, la ceràmica (plats, bols, sitres, gerros, aiguamans, càntirs i altres peces) o l'orfebreria. Les col·leccions d'objectes no procedents d'excavacions arqueològiques també són molt variades.