Das archäologische Museum präsentiert seine Sammlungen in einem Alt- und einem Neubau. Einzigartig sind die antiken Objekte aus Holz im Treppenhaus im Obergeschoss des Altbaus. Nirgends sonst in Griechenland hat man sie in so großer Zahl gefunden wie auf Sámos, weil sie anderswo im Lauf der Jahrhunderte vermoderten, hier durch glückliche Umstände erhalten geblieben sind. Dazu gehören eine Statuette der Göttin Hera (um 640 v. Chr.), eine Mädchenskulptur, Modelle von Schiffen und Reste von Möbeln. Auch die große Sammlung von bronzenen Greifenköpfen, sogenannte Protome, die früher den Rand von großen Kesseln zierten, wird im Altbau gezeigt. Außerdem sind dort zahlreiche keramische Gefäße und Scherben, Weihegaben an Hera aus dem östlichen Mittelmeerraum, byzantinische Goldmünzen und die Überreste einer antiken Leier zu sehen. Eins der wertvollsten Stücke im Neubau des Museums ist das Original der Geneleos-Gruppe, die im Heraion, am Fundort, als Kopie aufgestellt wurde. Ursprünglich bestand sie aus sechs Figuren, die wahrscheinlich eine Familie darstellten. Sie ist kunsthistorisch so bedeutend, weil sie einen Charakterzug der archaischen Kunst deutlich macht: Obwohl die Figuren eine Beziehung zueinander haben, kommt diese in der Darstellung nicht zum Ausdruck. Sie wirken wie Einzelstatuen, die nur zufällig zusammenstehen, sind starr und rein repräsentativ.