Los fondos del Museo muestran a través de piezas originales, panelería explicativa, recreaciones y audiovisuales, los contextos y los testimonios más representativos y singulares hallados en el territorio provincial desde el Paleolítico hasta la Modernidad.

Secciones monográficas se dedican a la Cultura celtíbera a través de los yacimientos más relevantes de la provincia: Numancia, Uxama y Tiermes.

Entre las piezas más notorias expuestas en el Museo destacan los restos óseos de Elephas Antiquus provenientes del yacimiento de Ambrona (400.000 b.p.), o los vasos de los Guerreros y de los Toros procedentes de Numancia fechados en el s. I a. C.

En uno de los expositores se muestra una magnífica escultura del dios Saturno procedente del yacimiento de Los Quintanares, Villa romana ubicada en Rioseco de Soria.

Del Paleolítico superior procede la Placa de Villalba, 17.000 b.p.  y de Villar del Ala un Menhir que pretende representar volumétricamente una figura humana ataviada con elementos de adorno personal datada en el Bronce final, hacia el 850 a,C.

Dependientes de este Museo son algunos de los enclaves patrimoniales más importantes de la provincia; es el caso del Monasterio de San Juan de Duero, la ermita de San Baudelio en Casillas de Berlanga, y los Yacimientos de Ambrona, Numancia y Tiermes.