موزه ایران باستان
در مجموعه موزه ملی ایران، به عنوان بزرگ‌ترین، مهم‌ترین و قدیم‌ترین موزه کشور، بیشترین یافته‌های باستان‌شناسی حاصل از کاوش‌های علمی از دوران پارینه‌سنگی تا اسلامی در قالب دو موزه «ایران باستان» و «دوران اسلامی» به نمایش درآمده است. موزه ملی ایران در سال ۱۳۱۶ خورشیدی در اولین بنای موزه‌ای کشور گشایش یافت. این بنا را آندره گدار، معمار فرانسوی، با الهام از طاق کسرا طراحی کرد و دو معمار ایرانی، عباسعلی معمار و استاد مراد تبریزی اجرای آن را به عهده گرفتند. «موزه ایران باستان» شامل دو موزه «پیش‌ازتاریخ ایران» با آثاری از دوران پارینه‌سنگی قدیم تا اواخر هزاره چهارم پ‌م (یعنی از کهن‌ترین دوران تا پیش از ابداع نگارش) و در «موزه دوران تاریخی» آثاری از اواخر هزاره چهارم پ‌م (یعنی آغاز به‌کارگیری نگارش) تا پایان دوران ساسانی به نمایش گذارده شده است.
موزه هنرهای اسلامی
موزه دوران اسلامی براساس پلانی الهام‌گرفته از کاخ ساسانی بیشابور، به صورت چلیپایی هشت‌ضلعی، با مساحتی حدود ۴۰۰۰ متر مربع و در سه طبقه ساخته شد. این بنا به منظور تأسیس موزه دوران اسلامی تجهیز و در سال ۱۳۷۵ افتتاح شد. در اول تیرماه ۱۳۸۵ با هدف اصلاح و تکمیل تأسیسات، گسترش برخی فضاها و بازنگری در چگونگی نمایش آثار، این موزه برای بازسازی تعطیل شد و بار دیگر در سال ۱۳۹۴ با تغییراتی در فضاهای داخلی و چیدمان بازگشایی شد. طبقه همکف این بنا به سالن اجتماعات و سالن نمایشگاه‌های موقت اختصاص دارد. آثار موزه دوران اسلامی در دو طبقه اول و دوم، بر اساس زمان‌بندی تاریخی چیدمان شده است، بازدید از طبقه دوم شروع می‌شود و در طبقه اول به پایان می‌رسد. موزه کنونی شامل ۶ تالار در دو طبقه است: طبقه دوم شامل تالارهای صدر اسلام، سلجوقی و ایلخانی و طبقه اول تالارهای قرآن، تیموری، صفویه، افشار، زند و قاجار می‌باشد. عمده اشیاء موجود در این موزه برگزیده‌ای از آثار حاصل از کاوش‌های علمی یا مجموعه‌های معتبری چون آستان شیخ‌صفی‌الدین اردبیلی است.