Il percorso museale si sviluppa su più piani. Nell'interrato, a livello delle fondazioni romane, è esposto il Lapidario Medievale con sculture d'area piemontese, il mosaico proveniente dal Duomo di Acqui e le preziose oreficerie del Tesoro di Desana.

Il piano terra è dedicato alla cultura figurativa piemontese dal Duecento al Cinquecento. Dalla sala con il magnifico coro ligneo proveniente dall'Abbazia di Staffarda si accede al grande salone costruito da Ludovico d'Acaia all'inizio del Quattrocento; qui si possono ammirare le collezioni di pittura e scultura dei grandi maestri piemontesi dal Medioevo al Rinascimento e oggetti preziosi tra cui il famoso cofano appartenuto al cardinale Guala Bicchieri.

La Torre Tesori ospita celebri capolavori come il manoscritto di Van Eyck e il "Ritratto d'uomo" di Antonello da Messina.

Al primo piano, intorno alla maestosa Sala del Senato oggi utilizzata per le mostre temporanee, si trovano gli antichi appartamenti delle Madame Reali fastosamente decorati: ospitano testimonianze artistiche del Seicento e del Settecento, la quadreria e gli arredi, tra cui i prestigiosi mobili di Pietro Piffetti.

Infine al secondo piano, sono esposte le collezioni di arti decorative: ceramiche, avori, oreficerie, bronzetti, tessuti, vetri.