Il museo si articola in tre settori: le collezioni storiche, custodite nelle sale ricavate dalle serre di Palazzo Reale, i materiali archeologici rinvenuti in Piemonte e la sezione dedicata all'archeologia di Torino, collocata nel nuovo spazio sotterraneo accanto ai resti del Teatro Romano che diventano così parte del percorso museale.

Le collezioni - sculture, bronzi e utensili dalla preistoria all'età longobarda - hanno origine dalle raccolte di antichità sabaude iniziate nel Cinquecento con il nucleo di sculture greco-romane.

Il patrimonio del museo si è ampliato nel corso dei secoli con i reperti di scavo provenienti da tutto il territorio piemontese e con l'acquisizione di prestigiose raccolte nel corso dell'Ottocento.

Tra i reperti di età romana si segnalano i bronzi di Industria, il tesoro argenteo scoperto a Marengo e i corredi longobardi dalle necropoli del Lingotto e di Testona.