يضم المتحف خمسة أقسام وهي:
1- قسم آثار ما قبل التاريخ: عرضت فيه أدوات صوانية وعظمية وفخارية وبعض الأشكال التشكيلية من أقدم العصور حتى العصر الحجري النحاسي. جاءت معروضات هذا المتحف من مواقع عدة في سورية، تدمر ودير الزور وأبو هريرة والمريبط وكهف الدودرية وغيرها، وأضيف إليها مؤخراً مجموعة من اللقى من عين دارا، وحالولة، وتل العبر، وتل كشكشوك من حوض الفرات وغيرها. أهم معروضاته: دمية الربة الأم المريبطية والتي تعد أقدم دمية مكتشفة في المنطقة، مصنوعة من الحجر, وهي تعود إلى العصر الحجري الحديث ما قبل الفخار، وعثر عليها في موقع تل المريبط على الفرات – صحن فخاري كامل مزخرف بأشكال متعددة, عثر عليه في موقع كشكشوك, ويعود إلى عصر حلف – دمية الربة الأم مصنوعة من الفخار عثر عليه في موقع كشكشوك, ويعود إلى عصر حلف أيضاً.
2- قسم الآثار السورية من العهود الشرقية: من أهم الأقسام في المتحف، ويضم أجمل القطع المكتشفة وأهمها في مواقع الشرق القديم. يتألف من ثلاثة أجنحة كبيرة كل جناح يضم عدة قاعات صغيرة, خصصت كل قاعة لمكتشفات موقع معين، واتبعت طريقة التسلسل الزمني في العرض قدر الإمكان على المناطق الجغرافية وتنقيبات كل بعثة على حدة.
تتوزع الآثار السورية القديمة على ثلاثة أجنحة، يضم الأول منها أربع قاعات: قاعة تل براك وتل شاغر بازار وتل أسود – قاعة ماري – قاعة حماة – قاعة أوغاريت (رأس شمرا).
أما الجناح الثاني فيضم (قاعة تل حلف – قاعة أرسلان طاش – قاعة تل أحمر)، والجناح الثالث يضم قطع أثرية من مواقع متعددة مثل تل بويض وتل كشكشوك وإبلا (تل مرديخ) وتل خويرة وتل عين داره وغيرها، وفي بعض الأحيان عرضت القطع بناء على المادة كالمعادن أو الوظيفة كالأختام الأسطوانية كمجموعة واحدة. أهم معروضات القسم: تمثال ربة الينبوع: يعود إلى الألف الثاني ق.م، تحمل على جبهتها قرني ثور وهو رمز الألوهية المعروف في الشرق القديم، وازدانت رقبتها بعقد ثقيل مؤلف من طبقات عدة، أما يداها فقد ازدانت أيضاً بثلاثة أساور في كل معصم، ونقش الفنان على ثوبها صور أسماك تسبح بين أمواج المياه، ليدل على وجود الماء الذي تحمله الآلهة داخل وعاء كروي بين يديها، وقد عثر عليه في ماري (تل الحريري). تبلغ أبعاده (38×49×141 سم) – طاسة ذهبية نقش عليها مشاهد صيد عثر عليها في موقع أوغاريت وتعود إلى القرن الرابع عشر ق.م. – ثور برأس إنسان مصنوع من الذهب واللازورد يعود إلى الألف الثاني ق.م. – لوحة عاجية من موقع أرسلان طاش تعود إلى أواسط القرن التاسع قبل الميلاد.
قسم الآثار السورية الكلاسيكي: عرضت القطع في هذا القسم بناء على التسلسل الزمني والتاريخي للقطع، أي الآثار اليونانية تليها الرومانية والبيزنطية إضافة إلى بعض التماثيل من الفترة الأخمينية والبارثية.
تتألف آثار هذا الجناح من قطع التنقيبات الأثرية ومن القطع الأثرية المصادرة ومن القطع الأثرية التي قام المتحف بشرائها، العدد التقريبي لهذه القطع الأثرية (6000) قطعة.
عرضت موجودات هذا القسم في خزائن متخصصة لكل نوع من القطع الأثرية كخزانة الأواني الفخارية، السرج الفخارية، القطع البرونزية، الزجاج، النقود وغيرها، كما عرضت بعض المنحوتات والجرار الفخارية الكبيرة بشكل حر في أرجاء الصالة. من مقتنيات هذا القسم: جرة فخارية من العهد اليوناني ذات تربة حمراء، طليت العروتين والشفة العليا والتزيينات باللون الأسود، وعلى أحد الجانبين شخصان يتلاكمان، وعلى الوجه الآخر شخص يحمل رمحاً وترساً، وهي مكسورة وناقصة ومرممة من الرقبة والجوانب والوسط تعود إلى القرن الرابع ق.م، وقد عثر عليها في موقع عين دارا - نصب من حجر البازلت، يمثل آلهة محاربة ترتدي ثوباً طويلاً يغطي رجليها، وهي جالسة جانباً على جمل، وعلى رأسها قبعة (قلنسوة)، وحول رقبتها عقد وفي يدها اليمنى يظهر زوج من الأساور، وتمسك رمحاً ذا رأسين، أما اليد اليسرى فتمسك ترساً مقبباً عثر عليه في موقع خناصر, وهو يعود إلى الفترة ما بين القرنين الثاني والأول ق.م، ويبلغ قياسه (95×53×26سم) – سراج ذو ثلاث فوهات عثر عليه في موقع جنديرس مصنوع من البرونز ويعود إلى الفترة بين القرنين الثاني والأول ق. م. – تمثال لإمرأة من الحجر الكلسي ويعود إلى القرن الثاني الميلادي عثر عليه في منبج.
4- قسم الآثار العربية الإسلامية: تأسس هذا القسم عام 1975م وذلك بناء على مرسوم صدر من رئيس الجمهورية وقتئذٍ، وقدتم تجديده بشكل كامل عام 2009م. اعتمد أسلوب العرض فيه على وظيفة القطعة الأثرية أو على مادتها، ويتألف من قسمين:
-القسم الأول: يعتمد في أسلوب عرض القطع على التسلسل التاريخي، ويتألف من جناحين الأول يمتد من العصر الأموي حتى العصر الأيوبي، والثاني يضم الآثار المملوكية والعثمانية, ويضم مقتنيات متنوعة من فخاريات وخزف وصحف وسيوف وأواني معدنية ونقوش كتابية وغيرها.
-قسم النقود: اتبع في عرض النقود أسلوب التسلسل التاريخي على مستوى العصور الإسلامية (بدءاً من العصر الأموي وانتهاء بالعهد العثماني)، وعلى مستوى العصر الإسلامي الواحد اتبع أسلوب التسلسل الحولي (السنوي) (العصر الأموي مثلاً على مستوى الدينار بدءاً من سنة 79 هـ- وانتهاءً بـ 132 ه).
من معروضاته: صحن خزفي من قلعة جعبر يعود إلى القرن الثالث عشر الميلادي – قبر من الحجر الكلسي عثر عليه في مقبرة السكري ويعود إلى القرن الثالث عشر الميلادي – آنية خزفية من نمط القاشاني مستخدمة للتوابل – دينار ذهبي يعود إلى سنة عشرة ومئة هجرية.
- قسم الفن الحديث: تأسس هذا المتحف في عام 1971م، ويضم مجموعة من اللوحات الفنية الزيتية لفنانين سوريين، وخاصة من مدينة حلب، تمثل مختلف المدارس الفنية السائدة في العالم كالمدرسة الواقعية والتكعيبية والكلاسيكية وغيرها.
