L’esposizione, articolata su tre piani, prende le mosse dal quadro ambientale, per illustrare le testimonianze di età preistorica e protostorica della fascia costiera, tra le quali spicca l’insediamento di Casa Saracino (Rosignano Marittimo) che ha restituito abbondante ceramica della fase di passaggio dall’età del Rame all’età del Bronzo Antico e che costituisce, per questo periodo, la scoperta più rilevante effettuata in Toscana fino a oggi. Di notevole interesse appare anche l’insediamento costiero del Galafone (fine X-IX secolo a.C.), specializzato nella produzione del sale.

Ben documentato il periodo etrusco, soprattutto per la fase ellenistica cui risale l’ampia necropoli di Castiglioncello, centro costiero sviluppatosi tra la fine del IV e gli inizi del I secolo a.C. Dopo una serie di rinvenimenti occasionali succedutisi a partire dal XVIII secolo ed in parte confluiti nella collezione di Diego Martelli, agli inizi del '900, la necropoli fu oggetto di scavi sistematici da parte del Soprintendente alle Antichità dell'Etruria, Luigi A. Milani. Per accogliere le oltre trecento tombe rinvenute, venne costruito un piccolo Museo a forma di tempietto etrusco oggi finalmente riaperto al pubblico, dopo quasi quarant'anni di oblio. Tra i reperti della necropoli si segnalano l’urna cineraria volterrana in alabastro di Velia Cerinei (fine II secolo a.C.), le steli funerarie in marmo ed i corredi di una ventina di tombe scoperte nel 1997 nel parco del Castello Pasquini.

Allo stesso periodo risale la necropoli aristocratica di Pian dei Lupi, riferibile ad un villaggio situato nell’immediato entroterra di Castiglioncello, ai piedi della ‘fortezza di altura’ di Monte Carvoli.

L’esposizione prosegue illustrando la storia dell'antica Vada Volaterrana,  porto etrusco e poi romano della città di Volterra. Del centro costiero si conoscono alcune tombe di età ellenistica e un quartiere portuale in località San Gaetano, dove scavi archeologici condotti dall'Università di Pisa hanno portato alla luce un vasto complesso databile alla prima età imperiale articolato in due impianti termali, magazzini per il carico e lo scarico delle merci (horrea), un probabile mercato al dettaglio (macellum) la sede di una corporazione di lavoratori del porto (schola) e, forse, un probabile tempio. Ulteriori edifici sono in corso di scavo nel settore meridionale dell’area. Il quartiere, risalente al I secolo d.C. rimase in vita fino agli inizi del VII secolo d.C., quando venne occupato da una necropoli e poi definitivamente abbandonato. Gli scavi di San Gaetano restituiscono ogni anno una grande quantità di reperti di grandissima importanza per lo studio delle rotte commerciali che attraversavano il Mediterraneo e in cui il porto di Vada era saldamente inserito.

Ai commerci marittimi di età romana è dedicata l’ampia sala di apertura del III piano, cui fa seguito una sezione dedicata alla circolazione monetaria nel Mediterraneo, documentata dalle oltre 2000 monete rinvenute negli horrea di San Gaetano.

Attraverso l’epoca tardo-antica, rappresentata ancora una volta dai numerosi reperti provenienti da Vada e da ritrovamenti sparsi, per lo più riferibili a necropoli, l’esposizione prosegue fino al medioevo e alle soglie dell'età moderna, epoca alla quale risale un interessante contesto di ceramiche e maioliche locali e di importazione rinvenuto al Castello di Rosignano Marittimo.

Il piano terra ospita la ricostruzione, in scala 1.1, degli ambienti residenziali di una villa romana, arredati e dotati di tutti quegli accessori che il passare del tempo ha irrimediabilmente distrutto e collocando al loro interno copie dei reperti che è possibile vedere nelle vetrine dei piani superiori del Museo, con l'intento di rendere viva la storia passata e di riportare al centro dell'interesse dei visitatori - soprattutto dei giovani visitatori - l'uomo e la sua vita trascorsa.