قاعة الفن الإسلامي خصص لها مساحة الطابق الثاني ومنها مجموعة الأواني والخزفيات الرقاوية بالإضافة إلى إطارات جصية بارزة وتيجان ونقوش إسلامية تعود في معظمها إلى الفترة العباسية وفترة حكم السلاطين الأيوبيين.

فنون الفترة البيزنطية تتوزع هذه الموجودات في الطابق الأول من البناء ومن جهة المدخل وهي تعود بمجملها للفترة الزمنية من بداية القرن الرابع حتى السابع للميلاد. أبرز المقتنيات الحالية ترجع إلى موقع حويجة حلاوة وموقع الرصافة.

مجموعة الآثار الكلاسيكية وهي المجموعة التي تعود بتاريخها إلى الفترة اليونانية والرومانية والتي استمرت حتى اعتناق الإمبراطورية الرومانية للمسيحية. تتوزع هذه الموجودات ما بين الطابق الأول وحديقة المتحف.

آثار العصور القديمة وهي المجموعة الأثرية الأكبر نسبياً. تعود هذه الموجودات الأثرية لمناطق مختلفة من حوض البليخ ووادي الفرات وإلى مواقع شهدت تحول الإنسان الأول إلى الزراعة  ونشوء المدن الأولى. تنضوي هذه المعروضات تحت تصنيف فترة عصر البرونز والحديد.