Lo scalone settecentesco conduce alla sezione medievale e moderna.
La sezione del lapidario medievale raccoglie sculture e rilievi databili tra VIII e XIII secolo.
E' nel Trecento che l'arte raggiunge una straordinaria grandezza con la Scuola riminese, manifestazione della vitalità economica e culturale e dell'affermarsi di una corte destinata ad emergere nell'Italia delle Signorie. Il Museo custodisce pregevoli pitture su tavola: a Giovanni da Rimini si deve il Crocifisso, esempio di raffinatezza erede della tradizione bizantina, a Giuliano il Trittico con l'Incoronazione della Vergine e Santi che, con altri capolavori, fa parte di un deposito della Fondazione CARIM.
Gli splendori della corte malatestiana rivivono nell'araldica, nelle medaglie, nelle ceramiche e soprattutto nell'opera dei grandi artisti del Quattrocento chiamati ad esaltare la grandezza della Signoria: da Agostino di Duccio, a Matteo de' Pasti, a Giovanni Bellini e al Ghirlandaio. A questi ultimi si devono rispettivamente La Pietà e la pala con san Vincenzo Ferreri, gioielli della pittura rinascimentale.
Al gotico internazionale caro al gusto della corte rimandano il Crocifisso in legno di Giovanni Teutonico e la statua di Santa Caterina, attribuita al maestro dell'Annunciazione Dreicer. L'influenza nordica continua a manifestarsi nella Rimini del primo Cinquecento, segnata dalla decadenza dei Malatesta e dall'ingresso nello Stato della Chiesa. Così accanto alla pittura dei Coda, originari del Veneto, e dei romagnoli Francesco Zaganelli e Girolamo Marchesi da Cotignola, troviamo i dipinti del fiammingo Jean Baegert (?) eseguiti per la Cattedrale.
Eccezionale il nucleo di nove arazzi destinati ad ornare le pareti dei palazzi comunali: storie tessute nelle manifatture di Anversa nella prima metà del XVII secolo, che narrano le gesta della regina assira Semiramide e del re d’Israele Salomone. Da palazzo Marcheselli provengono le Storie di Scipione l'Africano, decorazione del soffitto del salone delle feste eseguita nella metà del '500 dal faentino Marco Marchetti, attivo anche a Palazzo Vecchio di Firenze..
Al secondo piano si entra nella Rimini del Seicento attraverso una pittura che interpreta nel contrasto di luci e ombre le inquietudini del secolo. Ad emergere sono artisti romagnoli, come Guido Cagnacci, attivo anche a Venezia e Vienna, e il Centino, che trova la sua espressione più autentica nel naturalismo pittorico.
Dalla metà del secolo confluiscono inoltre a Rimini opere di famosi pittori forestieri quali il Guercino e Simone Cantarini oltre ai veneti Giovan Battista Langetti e Francesco Maffei.
Tra Sei e Settecento grande fortuna ebbe la natura morta: piacevoli la produzione di Nicola Levoli, frate agostiniano di origine riminese e le vivaci composizioni del faentino Giovanni Rivalta. Personalità della nobiltà e del clero scorrono nella Galleria ove è protagonista il ritratto, tema che torna nell'Ottocento accanto a esperienze artistiche fra loro diverse, dal neoclassicismo di Marco Capizucchi al romanticismo di Clemente Albéri che impronta il dipinto "Paolo e Francesca". La cultura eclettica del tempo si esprime nelle sculture di Romeo Pazzini e nei dipinti di Guglielmo Bilancioni.
Un'anticipazione dell'arte del Novecento riminese si offre nella sala degli Autoritratti e nello spazio riservato al piano terra alla produzione grafica di Renato Zavagli detto René Gruau, artista nato a Rimini nel 1909 e vissuto in Francia, attivo nel campo dell’illustrazione di moda per oltre settant’anni.