Il Museo espone tutte opere archeologiche provenienti dal territorio di Velletri e zone limitrofe. La raccolta è costituita preminentemente da: materiali lapidei (cippi, sculture, urne funerarie, epigrafi) e materiali fittili (lastre architettoniche, votivi, instrumentum domesticum) che vanno dal periodo preistorico a quello altomedievale.
Vanto della raccolta è senza dubbio il Sarcofago delle Fatiche di Ercole, noto anche alla letteratura archeologica internazionale con il nome di Sarcofago di Velletri. Sicuramente tra le opere più significative dell’arte romana, questo monumentale sarcofago, del II sec. d.C., è divenuto ormai, l’emblema del patrimonio archeologico della Città di Velletri.
Tra le opere più rilevanti, meritano particolare menzione: la Lastra dell’Orante, una lastra sepolcrale cristiana di IV secolo d.C. con scene dal Vecchio e Nuovo Testamento, e le cosiddette Terrecotte Volsche, lastre fittili di rivestimento rinvenute nel 1910 nell’area delle S.S. Stimmate.
Il primo nucleo collezionistico del museo proviene dalla località “Fosso del Metabo” e risale all'anno 1881. Di anno in anno, la collezione si arricchì in seguito a vari ritrovamenti, donazioni e acquisti da parte del Comune e, nel 1920, sotto la direzione dell’Ing. Oreste Nardini, Ispettore Onorario ai Monumenti e agli Scavi di Velletri, il museo venne inaugurato e si trasformò presto in una realtà viva, in costante crescita. L’ultima guerra causò gravi perdite e danneggiamenti anche alla collezione, che riacquistò importanza e prestigio solo nel 1955, grazie al ritrovamento dello straordinario sarcofago in marmo pario del II secolo d. C. con la raffigurazione delle fatiche di Ercole. Nel 1980 la Soprintendenza Archeologica per il Lazio recuperò a Velletri, in località “Civitana”, un altro grande sarcofago romano della seconda metà del III sec. d.C., oggi esposto al Museo nella Sala Sarcofagi.
Al piano terra, il percorso espositivo è preceduto da due piccole sezioni che sviluppano altre due tematiche, diverse tra loro: quella della conservazione dei beni culturali e quella dedicata alle collezioni veliterne, dal sec. XVII ad oggi. In questa seconda sezione, nel panorama generale delle diverse raccolte presenti a Velletri dal passato ad oggi (Collezione Ginnetti e Borgia, Museo Diocesano e Museo Civico), è data ampia visibilità, nell’apposito pannello, al ricchissimo e antico patrimonio artistico ancora oggi conservato al Museo Diocesano di Velletri, nell’ottica di una più completa conoscenza del patrimonio culturale della città, ma anche di una promozione congiunta dell’altra realtà museale cittadina.
Il Museo è inserito nell’Organizzazione Museale Regionale e costituisce con l'altro museo civico dedicato alla Geopaleontologia e Preistoria dei Colli Albani e con il museo Diocesano il Sistema Museale Urbano di Velletri. Dal 2004 è stato insignito del "Marchio di Qualità” in quanto "costituisce un punto di eccellenza nell’organizzazione museale regionale”, riconoscimento che da allora gli viene riconfermato ogni anno.