El museo consta de dos plantas. El crucero abarca los dos pisos y está cubierto con bóvedas de crucería. En el brazo norte se situaba la capilla. El museo cuenta con secciones de Arqueología, Bellas Artes y Artes Decorativas. Los fondos de Bellas Artes se distribuyen en la primera y segunda planta del edificio, y los de arqueología, en el Claustro Noble y en un piso subterráneo. Las Artes Decorativas cuentan con una muestra de artesanía popular toledana, que se sitúa también en el piso del sótano.

El muro arqueado del sótano corresponde a la antigua fortaleza que protegía el palacio romano ubicado donde actualmente se encuentra el Alcázar .