Il museo si estende per una superficie di circa 1.000 m² su due piani, divisi in quattro aree tematiche. La prima area è dedicata ai reperti lignei, ai dipinti ed alle icone: si conservano quadri come il "Perdono di Giuseppe", "San Francesco in estasi" di Guido Reni, opere di Luca Giordano, Andrea Vaccaro, Mattia Preti e la "Salomè" di Battistello Caracciolo, riproduzione di quella del Caravaggio; di stampo medievale le tavole della Madonna in maestà, risalente al XIV secolo, voto di Margherita di Savoia e della Madonna del latte, del XII secolo e prima immagine ad essere venerata al santuario. Tra i reperti lignei si annoverano una cattedra appartenuta a Federico II ed un Cristo deposto del XIII secolo. Nella seconda area sono esposti oggetti di carattere liturgico come mitrie, ostensori, reliquiari, pianete, una croce astile del XV secolo, vari calici di scuola napoletana e siciliana, tra cui uno arricchito con turchesi, diamanti e ametiste; completa la sezione il tesoro della Madonna, costituito una serie di gioielli, spesso portati come ex voto ed apposti sul quadro fino al 1960, anno del restauro. Nella terza area sono invece raccolti reperti marmorei sia di epoca romana come un sarcofago strigilato, decorato con teste di Gorgoni e pezzi di sarcofago con raffigurazioni dell'amazzonomachia, sia di epoca medievale come il sarcofago Lautrec, sculture di Tino di Camaino e due pulvini romanici del XII secolo; da annoverare anche alcune ceramiche di origine romana, dipinte in nero. La quarta sezione è invece rappresentata da una stanzetta che ospita l'impronta della Madonna, ossia una pietra sulla quale è incisa un'arma, seconda la tradizione popolare appartenente a Maria.