L'attuale allestimento del Museo deriva da una serie di interventi che - attuati nel corso di quasi un secolo - si sono conclusi col riordino del 1956. Attraverso gli oggetti esposti, il Museo propone un percorso espositivo su testimonianze che si riferiscono al Duomo attuale e a quello preesistente.
Il percorso inizia con la sezione dedicata al reimpiego. Questa sezione accoglie marmi di età romana variamente riutilizzati durante la costruzione della Cattedrale romanica, come attesta anche la Relatio, l'importante testo dei XII secolo conservato nell'Archivio Capitolare, che narra le vicende della costruzione. Segue la lunga parete di fronte all'ingresso, con frammenti lapidei ornati dal tipico repertorio decorativo altomedievale a nastri, provenienti da edifici precedenti l'attuale Duomo, spesso riutilizzati anch'essi durante la costruzione di quest'ultimo. Presso i frammenti altomedievali s’erge l'Arca di San Geminiano, grandiosa incassatura marmorea posta sopra il sarcofago del santo - trasformato in altare - e rimossa nella seconda metà del secolo XIX.
La seconda sala è dedicata ai reperti di età romanica, con alcuni rilievi e sculture prodotti nell'ambito dell’officina di Wiligelmo; tra questi figura il leone stiloforo proveniente dalla Porta dei Principi, e altri reperti riferibili all'attività dei Maestri Campionesi. La sala è dominata dalle meravigliose otto "metope", grandi sculture su pietra, opera forse di uno scultore della bottega di Wiligelmo. Le lastre risalgono ai primi anni della costruzione del Duomo (prima metà del XII secolo) e presentano figure mostruose o simboliche, tratte da diverse fonti letterarie, tra cui il Liber Monstrorum e il Physiologus. I soggetti rappresentati sono: l'Ermafrodito, l'Uomo dai lunghi capelli, la Sirena bicaudata, l'Ittiofago, la Grande Fanciulla, la Fanciulla e il terzo braccio, gli Antipodi e l'Adolescente con il drago. Le metope erano collocate in origine all'esterno del duomo, sulle testate degli archi diaframma della navata centrale, dove figurano oggi copie realizzate nel 1948 dallo scultore Benito Boccolari.
Si conclude con le sezioni dedicate ai materiali di età moderna - in cui vi compaiono alcuni rilievi provenienti dalle distrutte cappelle laterali del duomo, e alle iscrizioni, che costituiscono un corpus epigrafico importante per la storia della cattedrale.