Il nucleo originario delle collezioni moderne si formò negli anni successivi all'annessione dei beni ecclesiastici attuatesi con l'Unità d'Italia, ma è andato successivamente accrescendosi attraverso doni, acquisti e depositi di vari enti.
Nel 1977 parte delle raccolte sono state trasferite nel nuovo Museo Nazionale di Palazzo Mansi, dove ha trovato sede anche la Pinacoteca: in tal modo è stato possibile procedere ad una più razionale esposizione delle opere nelle ampie sale di Villa Guinigi.
Per la ricchezza delle opere, variate nelle tipologie e scalate nei secoli, è stato scelto un ordinamento museografico che accorpa testimonianze artistiche differenti per fasi cronologiche omogenee. Il Museo si articola quindi in varie sale, ciascuna rappresentativa di un preciso momento dell'arte a Lucca, in un percorso che dalla sezione archeologica, numismatica e sfragistica, alle collezioni ceramiche, giunge all'arte dal Trecento fino al XVIII secolo.
La sezione archeologica del Museo, completamente rinnovata nel 1994, costituisce al momento la più importante raccolta di reperti archeologici dal territorio della Provincia di Lucca.
L'esposizione, allestita nelle quattro sale al piano terra dell'edificio, è articolata in due parti. Nella prima, sono esposti con criterio cronologico reperti provenienti dalla Piana lucchese, dalla valle del Serchio e dalla Versilia, che illustrano la storia degli insediamenti etruschi e liguri, dall'età villanoviana (IX - VIII sec. a.C.) fino alla fondazione romana di Lucca (180 a.C.).
La seconda parte, organizzata con criterio tematico, è dedicata alla città romana e al suo territorio. Vengono presentati rinvenimenti relativi ai monumenti pubblici, alle abitazioni private e alle sepolture.
Tra gli oggetti esposti sono presenti reperti dal sito etrusco e romano del Chiarone di Capannori; i cinerari e i corredi della piccola necropoli di S. Concordio-via Squaglia a Lucca e della tomba di Via del Poggione in Versilia; vasellame e altri reperti dagli abitati etruschi di S. Rocchino di Massarosa, di Tempagnano e di Romito di Pozzuolo; bronzetti votivi dalla Buca di Castelvenere; i ricchi complessi tombali etruschi di Rio Ralletta di Capannori e di Ponte a Moriano; tombe e corredi liguri tra cui quelli della necropoli di Val di Vaiana nella media valle del Serchio (Castelvecchio Pascoli), di Vado di Camaiore in Versilia, di Ponte a Moriano e di Marlia-Ponticello. È inoltre esposto il pavimento asportato nell'Ottocento dalla Chiesa dei Santi Giovanni e Reparata a Lucca.
Tra il primo e il secondo piano inizia il percorso che espone le testimonianze pittoriche e scultoree dal XII al XVIII secolo. Le sale dedicate al periodo medievale espongono esempi di oreficeria lombarda, frammenti architettonici, importanti sculture e pitture del XIII e XIV secolo. Degli ultimi anni del 1400 sono le opere di Matteo Civitali e Francesco Marti, mentre tra un corridoio e due sale sono esposti dipinti databili tra la metà del ´500 (Vasari, Zuccari, Passignano) e i primi decenni del ´600 (Guido Reni, Lanfranco e Pietro da Cortona). L'esposizione termina con la testimonianza della pittura settecentesca (Lombardi, Brugieri, Lucchi).