Το μουσείο οικοδομήθηκε στα 1939-1955, με πρωτοβουλία της
Αμερικανικής Σχολής Κλασικών Σπουδών. Η βόρεια πτέρυγα προστέθηκε το 1960 - 61. Έγινε με σχέδια του αρχιτέκτονα Stuart M. Shaw του
Μητροπολιτικού Μουσείου Τέχνης της Νέας Υόρκης.
Στο μουσείο της Παλαιόπολης εκτίθενται τα ευρήματα από το παρακείμενο Ιερό των Μεγάλων Θεών.
Η διάταξη των εκθεμάτων κατ' αίθουσα έχει ως εξής:
• Α΄ Αίθουσα: Αποκατεστημένα αρχιτεκτονικά μέλη κτηρίων του Ιερού.
• Β΄ Αίθουσα: Αποκατεστημένα αρχιτεκτονικά μέλη, γλυπτά, νομίσματα από το Ιερό.
• Γ΄ Αίθουσα: Γλυπτά, μικροτεχνία, κεραμική από το Ιερό και την αρχαία πόλη της Σαμοθράκης.
• Δ΄ Αίθουσα: Ευρήματα από τις νεκροπόλεις της Σαμοθράκης.
• Αίθριο: Επιγραφές.
Τα σημαντικότερα εκθέματα του Μουσείου είναι:
- Υπογεωμετρικοί κάνθαροι από αποθέτη στο χώρο του πρώην Τεμένους (α΄ μισό του 7ου αιώνα π.Χ.).
- Τμήματα μαρμάρινης ζωφόρου με χορεύτριες
από το πρώην Τέμενος (γύρω στο 340 π.Χ.).
- Επίκρανο παραστάδας από τη δυτική στοά του Προπύλου του Πτολεμαίου Β' με ανάγλυφη διακόσμηση γρυπών που κατασπαράσσουν ελάφι (285 - 281 π.Χ.).
- Τμήμα αποκατεστημένης διακοσμητικής στοάς και του ανάγλυφου διακόσμου από τη Θόλο της Αρσινόης (288 - 281 π.Χ.).
- Μελανόμορφη πελίκη που αποδίδεται στο ζωγράφο του Ευχαρίδη (γύρω στο 500 ως 490 π.Χ.). Σκηνές πατητηριού και δοκιμής νέου κρασιού με τη συμμετοχή του Ηρακλή και του
Διονύσου.
- Παναθηναϊκός αμφορέας που αποδίδεται στο ζωγράφο του Ευφιλήτου ή το εργαστήρι του (γύρω στο 525 π.Χ.). Αγώνας δρόμου στη μιά πλευρά και Αθηνά οπλισμένη στην άλλη.
- Αποσπασματικό κάλυμμα φατνώματος από την οροφή του πρώην Τεμένους, ίσως έργο του Σκόπα (γύρω στο 340 π.Χ.).
- Περσική χρυσή καρφίτσα. Δυναστεία Αχαιμενιδών (5ος αιώνας π.Χ.).
- Δίγλωσση μαρμάρινη στήλη από το Ανάκτορο που απαγορεύει την είσοδο των αμυήτων στο άδυτο (1ος αιώνας μ.Χ.).
- Γύψινο αντίγραφο της
Νίκης της Σαμοθράκης. Το έργο ανακαλύφθηκε το 1863 από τον τότε πρόξενο της Γαλλίας στην Αδριατική C. Champoiseau, ο οποίος και το μετέφερε άμεσα στο
μουσείο του Λούβρου, όπου και εκτίθεται μέχρι σήμερα.
