El museo se divide en varias salas, siendo el zaguán del Palacio el nexo de unión de todas ellas. Este zagúan presenta en uno de sus paramentos un paño de cerámica del siglo XVI y el relieve de piedra gótico de un caballero cristiano, donde la tradición popular ve la figura de Sancho VII El Fuerte rindiendo a los musulmanes en la batalla de las Navas de Tolosa. Desde este espacio se accede a la bodega del Palacio, convertida en sala de arqueología, donde se muestran piezas que van desde la Prehistoria hasta la época medieval.
En cuanto a las salas, cada una de ellas alberga diversos objetos. En la pasarela de la planta baja se expone una colección de imaginería religiosa de diversas épocas (medieval, renacentista y barroca), casi todas ellas policromadas. Desde esta pasarela es posible contemplar con una perspectiva inusual dos ejemplos de la retablística renacentista y uno barroco. La sala de retablos y ornamentos, situada en la planta Sótano, exhibe además de los retablos ya mencionados, vestimentas litúrgicas de variada cronología y orfebrería, con piezas de incalculable belleza y valor artístico procedentes de la Catedral y otras iglesias de la ciudad de Tudela.
La entreplanta del Palacio estaba ocupada por las habitaciones privadas del Deán, que comunicaban directamente con el claustro, y una pequeña capilla de estilo gótico, decorada con azulejos del siglo XVI. En esta planta se ha ubicado la sala de pintura donde se exponen mayoritariamente óleos sobre lienzo de Vicente Berdusán, considerado el mejor pintor barroco del siglo XVII en Navarra, así como otras interesantes pinturas sobre tabla, como El Juicio Final, atribuido a El Bosco (siglo XVI), o la tabla gótica de San Lucas. En el claustro, una sala más del museo, se exponen restos arqueológicos islámicos y cristianos. Los más interesantes son los modillones de rollo y la pila de abluciones que proceden de la antigua Mezquita Mayor de Tudela.