Il museo, nella sua recente riorganizzazione, è suddiviso in due sezioni espositive dedicate rispettivamente all’archeologia e alla marineria. Nel primo ambito sono presenti prevalentemente le testimonianze che riguardano l’insediamento romano precedente la fondazione di Cattolica, avvenuta nel XIII secolo per opera di abitanti provenienti da Rimini e Focara. La sezione marinaresca, arricchitasi nel corso del tempo per mezzo di varie donazioni, illustra i tanti aspetti che caratterizzano la cultura del mare, con particolare attenzione all’attività portuale della zona di Cattolica: dall’attività dei cantieri del territorio alla costruzione di imbarcazioni adriatiche, passando per le diverse metodologie di pesca. Alcuni di questi sono ancora oggi utilizzati, come lo spontale e la tratta.
Le indagini archeologiche condotte a inizio anni Sessanta hanno evidenziato come, a causa della sua posizione tra la foce del Crustumium e il rilievo, il territorio di Cattolica abbia da sempre rappresentato un luogo idoneo all’insediamento umano. La discarica di materiali ceramici romani, rinvenuta nel 2004 durante la costruzione della nuova darsena e legata a una fornace, ha portato alla luce un’importante fase iniziale nella storia di Cattolica, già divenuto scalo nella metà del III sec. a.C.. Anfore e dolii in grande quantità (circa un migliaio) compongono la produzione dell’atélier che ha creato anche numerosi manufatti, comprese ceramiche per la cucina, la mensa e l’arredo, nonché statuaria fittile a tutto tondo. Ulteriori scavi ed esplorazioni in zone centrali (Mercato Ortofrutticolo, Case Filippini, De Niccolò e Filippini-De Nicolò, Piazza del Mercato) hanno svelato resti di edifici e strutture in relazione con il tracciato della via Flaminia, creata da Roma nel 220 a.C. per congiungere la capitale a Rimini e quindi collegare le regioni centrali della penisola con la Pianura padana. Tra i resti spiccano quelli di un piccolo borgo, sorto in epoca tardo repubblicana-primo imperiale, che si trovava lungo la strada consolare di Gaio Flaminio, in prossimità di un attraversamento obbligato del Crustumium. Infine, il museo include informazioni sulla storia preromana del territorio e del bacino del fiume Conca.
Il nucleo originale del museo della marineria richiama la mostra “Barche e gente dell’Adriatico: 1400-1900”, organizzata a Cattolica nel 1985. Espone modelli di imbarcazione creati da Antonio Della Santina che, a partire dagli anni ’30, ha realizzato le prime barche da lavoro a vela, oltre a "sardellare", "trabaccoletti" a motore e grandi pescherecci. Morse, squadre e utensili raccontano il mondo della cantieristica locale della seconda metà dell’Ottocento, rappresentata in particolare da Giovanni Ubalducci e dalla sua famiglia. La documentazione è arricchita da fotografie sulla vita e il lavoro della gente di mare, nonché da capi d’abbigliamento tipici ed esemplari di reti da pesca tradizionali.