La raccolta di materiali archeologici è collocata in due vasti ambienti della Corte Alta del Montefeltro, il principale dei quali presenta nella parete di fondo una grande scenografia dipinta (secc.XVI-XVII) che ne denuncia un uso anche a scopi teatrali.

Il Museo Archeologico conserva materiali di provenienza locale e si articola in due grandi sezioni: quella preistorica e protostorica (sala del vestibolo) e quella romana (sala del teatro).

La prima (da percorrere in senso orario) permette di prendere contatto i vari prodotti delle culture che si sono susseguite nel tempo nella valle del Metauro: strumenti in selce delle età più antiche, vasi ed utensili dell‘età del bronzo con la tipica decorazione della cultura appenninica e subappenninica.
Notevole la documentazione dell‘età del ferro con reperti riferibili alla facies novilarese della cultura picena.

Chiudono la sezione i materiali della stipe votiva del Tarugo: notevole in particolare la serie di bronzetti del V sec. a.C.

La sezione romana è costituita in gran parte da materiali rinvenuti nell‘area della città romana di Forum Sempronii (da cui l‘attuale Fossombrone trae origine e nome) e l‘ordinamento stesso dato ai reperti è finalizzato ad illustrare caratteristiche e vita dell‘antica città.