Il Museo si trova sull'isola di Peddone in pieno centro città e richiama nelle forme architettoniche l'immagine di una nave ormeggiata. Illustra la vicenda storica di Olbia e del territorio partendo dalla preistoria fino al XIX secolo. Numerose le testimonianze archeologiche riferentesi all'epoca fenicia, greca, punica e romana dell'area urbana e portuale. Unica città della Sardegna ad essere stata abitata dai Greci, (630 - 520 a.C.) le era stato dato il nome di Olbia cioè "felice". É l'unico museo in Italia che espone il maggior numero di navi antiche e l'unico al mondo che mostra alberi e timoni d'età romana.
Al piano-terra, nella Sala 1, sono di particolare interesse due relitti di navi onerarie rinvenute nello scavo del porto antico, andate a fuoco in occasione di un attacco dei Vandali verso il 450 d. C., che decretò la fine di Olbia romana. Sono inoltre presenti sezioni ricostruttive a scala reale di navi onerarie romane, aste da timone e due alberi conservati per buona parte della lunghezza originaria (7-8 metri). La Sala 2, offre un video sulle scoperte nel porto. La Sala 3 ospita il relitto di una piccola imbarcazione medievale, l'unica al momento esposta al pubblico in Italia, forse destinata al traffico nel solo golfo olbiese o lungo le coste limitrofe. La Sala 4 rievoca con una suggestiva proiezione l'attacco dei Vandali alla città romana. La Sala 5 ospita un grande plastico del porto riferito al II sec d.C.
Il primo piano è dedicato all' area urbana di Olbia. La Sala 1 documenta attraverso manufatti le fasi prenuragiche e nuragiche e la nascita dell'insediamento fenicio (750 a. C.) e greco-focese (630-520 a. C.). La Sala 2 è dedicata al periodo cartaginese e al passaggio al dominio romano, fase cui si riferiscono anche una stele di granito col simbolo della dea Tanit e un’iscrizione punica nel corridoio di raccordo. La Sala 3 espone ancora terrecotte, corredi funebri e anfore riferibili al passaggio tra l'Olbia punica e l'Olbia romana, mentre la Sala 4 o "di Ercole" documenta il periodo di piena romanizzazione, a partire dalla metà del I sec.a.C., con plastici e reperti anche scultorei: le teste di Domiziano e Domizia, nonchè la testa di Ercole, principale divinità della città, montata su un corpo a grandezza naturale e nei colori che dovevano caratterizzare l’originale. La Sala 5 racconta le relazioni tra Olbia romana e il Mediterraneo, nonché il traumatico passaggio ai Vandali. La Sala 6 è dedicata all’età bizantina, quando la città ridotta a piccolo borgo assunse il nome di Phausiana, ed ai successivi periodi: giudicale (chiamata Civita, è capitale di Gallura e rilancia traffici e porto), aragonese-spagnolo (assume il nome di Terranova e decade), piemontese, unitario e postunitario (ripristina la funzionalità del golfo e lancia il turismo marino-balneare).
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