Zu den Schätzen des Museums gehören die marmornen Skulpturen, die die Giebelfelder des Zeus-Tempels schmückten, und die zwölf Metopen von den Stirnseiten des Tempels. Die Metopen zeigen die zwölf Heldentaten des Herakles vom Kampf mit dem Nemeischen Löwen bis zur Entführung des Höllenhunds Zerberus aus dem Totenreich. Die Figuren aus den Giebelfeldern illustrieren den Kampf zwischen Lapithen und Kentauren sowie die Vorbereitungen zum Wagenrennen zwischen dem mythischen Helden Pelops und König Oinomaos. Einmaliges historisches Zeugnis ist ein Becher, der in der Werkstatt des Phidias gefunden wurde. Er trägt auf dem Boden die Inschrift „Ich gehöre dem Phidias“ und scheint der Trinkbecher des berühmten Bildhauers zu sein. Zwei Statuen im Museum gehören zu den größten Kunstwerken der Antike: Die hochklassische Statue der Siegesgöttin Nike aus der Mitte des 5. Jhs. v. Chr. stand ursprünglich auf einer 9 m hohen Säule vor dem Zeus-Tempel und schien von dort oben auf die Menschen herabzuschweben. Die Statue des Hermes, geschaffen von Praxiteles, einem der namentlich bekannten großen Bildhauer der Antike, zeigt den Götterboten, wie er den kleinen Dionysos zu den Nymphen bringt, bei denen er aufwachsen soll. Zu den sehenswerten kleineren Objekten gehören ein mykenischer Helm aus Eberzähnen und ein Bronzepferd (um 800 v. Chr.). Ein gelungenes römisches Werk ist eine große Stierstatue, die äußerst lebensecht wirkt.