Il Museo è luogo di un'importante raccolta di sculture antiche, fra le quali alcuni notevoli originali greci; vi sono inoltre bronzi, ceramiche, gemme e monete, oltreché la raccolta archeologica data in deposito dal Civico Museo Correr, che comprende anche antichità egizie e assiro-babilonesi.
Collezioni Grimani
Nel 1523, il cardinale Domenico Grimani (1461-1523) lasciò in eredità alla Repubblica di Venezia un gruppo di sculture antiche provenienti dalla sua collezione privata. La maggior parte di queste opere proveniva da una vigna nei pressi del Quirinale a Roma, dove il cardinale stava edificando la propria residenza.
Il nipote, Giovanni Grimani (1500-1593), a partire dal 1563 si dedicò all'ampliamento e alla decorazione delle sale del palazzo di famiglia a Santa Maria Formosa, con lo scopo di creare un allestimento scenico per accogliere la propria collezione. Questa fu ospitata al primo piano del palazzo: quasi duecento sculture greche e romane furono ordinatamente collocate nella sala centrale. La raccolta comprendeva sculture provenienti dai possedimenti romani della famiglia, un nucleo di marmi giunto dalla terraferma veneziana e dalla costa istriana e sculture antiche provenienti dalla Grecia. Nel 1587 anche questa raccolta venne donata alla Repubblica di Venezia e il 3 febbraio il collegio dei senatori, d'accordo con Giovanni, stabilì che tutti i marmi Grimani fossero ospitati nell'antisala della Libreria Marciana.