Экспозиция Музея посвящена ключевым этапам становления Херсонеса как древнегреческого полиса и его непрерывной истории на протяжении почти двух тысячелетий. Цель показа – раскрыть многогранность города как носителя трёх великих древних цивилизаций: древнегреческой, римской и византийской, а также его связь с Древней Русью. При возведении нового здания использовались чертежи и планы, созданные более ста лет назад первым директором Херсонесского музея Карлом Казимировичем Косцюшко-Валюжиничем.
Особое внимание уделено византийскому периоду, поскольку именно здесь произошло крещение равноапостольного князя Владимира. В экспозиции выделена «золотая кладовая», где представлены предметы из драгоценных металлов и камней: ювелирные изделия, монеты и ритуальные объекты. В залах выставлены как ранее собранные коллекции, так и экспонаты, найденные во время археологических раскопок, предшествовавших строительству комплекса «Новый Херсонес».
Первые известные раскопки городища были инициированы в 1827 году адмиралом Алексеем Самуиловичем Грейгом, командиром Черноморского флота, и положили начало почти двухсотлетнему научному изучению Херсонеса. В ходе археологической экспедиции, работавшей до начала строительства, удалось обнаружить около 6,5 миллионов находок разных исторических периодов, из которых 350 тысяч имеют музейную ценность.
