L'esposizione è ordinata in cinque sezioni.
La prima sezione è dedicata alla collezione del Canonico Chelli, fondatore del Museo. Raccoglie circa cento oggetti estremamente eterogenei e per lo più estranei alla Maremma.
La seconda sezione è interamente dedicata alla storia della città di Roselle dalla fondazione alle ultime frequentazioni di età moderna. L'esposizione ha beneficiato di nuovi e numerosi depositi concessi dalla Soprintendenza ai Beni Archeologici che conduce scavi nel sito della città ormai da cinquant'anni.
La terza sezione è dedicata all'archeologia della Maremma dalla preistoria alla tarda antichità.
La sezione successiva è un museo nel museo: accoglie infatti il Museo d'Arte Sacra della Diocesi di Grosseto affidato dal 1975 dal Vescovo e dal Capitolo della Cattedrale al Comune di Grosseto per l'esposizione. Anche nel caso del Museo Diocesano il nuovo ordinamento ha visto un notevole arricchimento nel numero e nella qualità delle opere esposte, a seguito di nuovi depositi dalla cattedrale di Grosseto e da altre chiese della Diocesi.
L'ultima sezione è dedicata alla storia della città di Grosseto e in generale al Medioevo.
