La section archéologique déploie, dans un parcours chronologique, des vestiges datant de la Préhistoire, de l’Antiquité et du Moyen-âge. Elle se prolonge au second niveau par une évocation du patrimoine local aux périodes plus récentes. Parmi les nombreux sites ou thèmes évoqués, on retiendra l’exploitation des minières de silex au cours de la Préhistoire, les fouilles du site gallo-romain de Chassey-lès-Montbozon ou les vestiges découverts dans les nécropoles mérovingiennes. La présentation des objets est complétée par plusieurs maquettes et restitutions. A ne pas manquer, la riche collection de stèles funéraires gallo-romaines, la plus importante de la région.

Les collections Beaux-arts privilégient le XIXe siècle, autour du peintre et sculpteur Jean-Léon Gérôme (Vesoul, 1824 -Paris, 1904). Les œuvres de Gérôme évoquent la fascination d’un peintre-voyageur pour l’Orient et un intérêt certain pour la peinture d’Histoire, restituée dans ses moindres détails. Peintre académique, Gérôme acquis une réputation considérable sous le Second Empire, ses peintures et sculptures figurent désormais en bonne place dans le musée de sa ville natale qu’il contribua à enrichir. Quelques salles évoquent aussi l’Ecole haut-saonoise, représentée par des peintres qui se formèrent à Paris dans l’atelier de Gérôme (parmi lesquels Pascal Dagnan-Bouveret, Jules-Alexis Muenier, Gustave Courtois et René-Xavier Prinet) . Portraitistes de talent, ces artistes sont surtout connus et appréciés pour leurs tableaux naturalistes des dernières décennies du XIXe siècle.