La Sezione Archeologica comprende materiali, databili dalla Preistoria al Rinascimento, rinvenuti sia nel centro di Asolo, sia nel territorio. Le Sale 2 e 3 sono dedicate alla Pre-Protostoria: tra i reperti più interessanti alcuni corredi delle necropoli paleovenete della località asolana del Biordo e di Borso del Grappa. La Sala 4 presenta i reperti di età romana che Pacitico Scomazzetto rinvenne nell'800 nel corso degli scavi presso le antiche terme, collocate nell'attuale Piazza Brugnoli, e presso il teatro romano, ubicato nell'attuale giardino di Villa Freya. La Sala 5 è riservata all'acquedotto romano di Asolo, alla via Aurelia, che correva da Padova ad Asolo, e alla centuriazione asolana. Le Sale 6 e 7 presentano manufatti dalle necropoli romane cittadine e da tombe rinvenute a Riese, ad Altivole e a Fonte. Nella Sala 8 è prevista l'esposizione dei materiali di età medioevale rinvenuti negli scavi condotti nella Rocca tra il 1985 e il 1992. Tra questi, il mosaico pavimentale della chiesetta (VI-VIII sec.) che sorgeva sul luogo prima della costruzione della fortificazione, i corredi delle tombe alto-medioevali (VIII-X secolo), ceramiche e altri reperti relativi al periodo della frequentazione medioevale della Rocca (XI-XVI secolo).

La Pinacoteca ospita dipinti e tavole giunti al Museo prevalentemente grazie alla generosità di vari donatori che si sono avvicendati dall'Ottocento ad oggi. Il percorso espositivo (Sale 9, 10, 11, 13) presenta le opere secondo una successione sostanzialmente cronologica, a partire dal XV secolo, sebbene in alcuni punti si sia privilegiato invece un criterio tematico. Tra i dipinti più importanti il San Girolamo di Luca Giordano, il Sant'Antonio da Padova di Bernardo Strozzi, un'immagine di Vecchia di Antonio Carneo e soprattutto le due Vedute di Bernardo Bellotto. Una sala apposita (Sala 12) è stata riservata ai dipinti e agli oggetti canoviani e maneriani: tra questi si distinguono una tempera dello stesso Canova raffigurante la Musa Euterpe, la veduta della bottega romana del Canova di Roberto Roberti, una serie di incisioni uscite dalla stessa bottega canoviana di Roma. La Sala 13 infine ospita una selezione di autori della fine dell'Ottocento e del Novecento, e presenta i dipinti di Eugene Benson, Nino Springolo, Umberto Moggioli e Guglielmo Talamini.

Nella Sezione Tesoro della Cattedrale (Sala 14) sono ospitati alcuni paramenti sacri patrimonio della Cattedrale asolana. Risalente probabilmente a epoca altomedioevale ma inglobata ben presto (X secolo) nella Diocesi di Treviso, la Cattedrale mantenne tuttavia il titolo di sede vescovile e fu oggetto di particolari attenzioni e privilegi a partire da Caterina Cornaro fino a vari papi, tra cui Pio X, Giuseppe Sarto, particolarmente legato a questa chiesa perché qui fu cresimato e ricevette da chierico i primi Ordini Sacri.

La Sezione dedicata alla regina Caterina Cornaro (Sala 15) presenta dipinti, documenti. disegni e oggetti arrivati al Museo per lo più grazie alle donazioni ottocentesche di personaggi diversi. La collezione conta tra l'altro, oltre ai dipinti e al cosiddetto Testamento di Caterina Cornaro a favore del fratello Marco, dei manufatti che la tradizione vuole appartenuti alla regina stessa.

La Sala 16 ospita prevalentemente la Sezione dedicata ad Eleonora Duse, anche se alcuni spazi sono lasciati alla memoria di Gabriele D'Annunzio, delI'800 asolano, del poeta inglese Robert Browning. Il materiale relativo a Eleonora Duse, dato in deposito al Museo asolano dalla figlia Enrichetta, è di vario tipo e va dai ritratti e fotografie dell'attrice a documenti, appunti e lettere autografe, dai riconoscimenti agli oggetti personali, dai ricordi di famiglia ai libri e ad alcuni mobili di casa, dagli oggetti di uso in scena o in camerino, tra cui alcuni abiti e calzature, ai bozzetti e fotografie per gli studi di ambiente.