Размещается Археологический музей в здании женской гимназии, построенной в 1894 г. по проекту швейцарского архитектора Хермана Майера, в основном автора банковских зданий в Софии, Пловдиве и Русе.
Экспозиция музея показывает предметы доисторических поселений ІV-V тыс. до н.э., античных фракийских городов, греческих колоний на Черном море, Римской империи.
Самые древние находки здесь это орудия из кремня, камня и кости во времена неолита и энеолита, найденные в курганных городищах. В Бургасском заливе обнаружены затонувшие поселения со времен бронзового века (ІІІ тыс. до н.э.). Многочисленные каменные якоря разной величины свидетельствуют о развитии судоходства в заливе еще в ту раннюю эпоху. Обнаруженный близ с. Черково под Бургасом медный слиток минойского типа является доказательством существования торговых связей фракийцев со средиземноморским миром в ХV-ХІІІ веках до Р.Х.
В древнем поселении Антий, находящемся у сегодняшней военно-морской базы южнее Бургаса, была открыта статуя Аполлона, тоже привезенная в этот музей.
Большой интерес вызывает третий зал, где рассказывается о фракийской культовой жизни в эпоху римского владычества во Фракии (І–ІІІ вв.). К тому времени относится клад, найденный во фракийском похоронном кургане близ г. Поморие, где была похоронена путем кремации фракийская жрица Лесескепра. Ее имя написано греческими буквами на паре золотых сережек. Там же были найдены обрядовые глиняные фигурки, связанные со жреческими ритуалами. В коллекцию включены также мраморные рельефы и статуэтки различных божеств, первое место среди которых занимает главное фракийское божество – Фракийский всадник.
В 18 км от Бургаса, у сегодняшнего села Дебелт, находятся руины античного города Деултум. Обнаруженные в ходе его изучения монеты, керамика и украшения выставлены на обозрение в музее. Найденные в селитебном кургане в местности Солна-Нива многочисленные керамические сосуды, использующиеся по хозяйству и для ритуалов, тоже показаны здесь.
Музей имеет и внешнюю экспозицию. Среди наиболее ценных экспонатов здесь представлена уникальная фракийская гробница–дольмен с ХІІІ в. до н.э., расположенная у с. Белеврен. Посетители могут рассмотреть и мемориальные и надгробные мраморные стелы, связанные с самыми разными народами, жившими с ХVІІ до начала ХХ веков в этих краях – болгарами, греками, евреями, армянами, турками.
В музее продаются информационные материалы.