Această instituţie are în componenţa sa 16 muzee distincte, cu un patrimoniu de peste 300.000 piese (arheologie, istorie, artă, memorialistică, etnografie, ştiinţe naturale). Înfiinţat în anul 1934 de către preotul Constantin Matasă, acest muzeu deţine cea mai importantă colecţie de ceramică eneolitică din Moldova (mil. IV-III î.Hr.). Alături de aceasta, în muzeu sunt tratate, în chip monografic, aspecte mai vechi (paleolitic şi neolitic timpuriu) şi mai noi (civilizaţia traco-geto-dacică din zonă, locuirea medievală, aspecte ale istoriei locale din epo...cile modernă şi contemporană, activitatea muzeografică din judeţ ş.a.), din trecutul zonei. În primele opt săli sunt prezentate cele mai semnificative aspecte ale paleoliticului de pe Valea Bistriţei şi ale culturilor Starčevo-Criş, Precucuteni şi Cucuteni, îmbinând expunerea de obiecte tridimensionale cu o ilustraţie bogată şi cu numeroase reconstituiri de complexe sau de procese ce făceau parte din inventarul de cunoştinţe ale omului preistoric. Ultimei culturi amintite îi este rezervată cea mai mare parte a spaţiului expoziţional din primele opt săli ale expoziţiei permanente, raport cantitativ ce reflectă situaţia arheologică din teren (cel mai mare număr de situri cunoscute în zonă, printre care se remarcă cele de la Bodeşti-Cetăţuia Frumuşica, Izvoare, Traian, Ghelăieşti, Târpeşti, Târgu Ocna-Podei, Poduri). În sălile 9-10 sunt expuse cele mai importante descoperiri ale epocii metalelor, reprezentată prin aspecte locale ale bronzului timpuriu şi mijlociu (Lunca, Târpeşti) şi prin culturile: Amforelor Sferice (materiale de la Bârgăoani, Mastacăn, Piatra-Şoimului, Piatra-Neamţ), Costişa (piese din aşezarea eponimă, de la Siliştea, Piatra-Şoimului, Poduri), Monteoru (Costişa şi Traian) şi Noua (ceramică, obiecte de piatră şi de metal din aşezările şi necropolele de la Doina, Ciritei, Târpeşti, Davideni, Vânători-Neamţ,). De la sfârşitul epocii bronzului şi din prima epocă a fierului datează cea mai mare parte a pieselor de metal expuse în sala 10 şi holul adiacent (depozitele de bronzuri de la Ruginoasa, Bozieni, Şerbeşti, pumnalele de tip akinakes de la Văratec, Găiceana şi Petricani). Pentru Hallstatt-ul final şi prima etapă a La-Tene-ului descoperirile de la Lunca şi Vlădiceni documentează că aria de difuziune a aspectului cultural Canlia a inclus în secolele V-III î.Hr. şi zona subcarpatică a Moldovei. În ceea ce priveşte civilizaţia dacică (prezentată în sălile 11-15) menţionăm că muzeul din Piatra-Neamţ a adus o contribuţie deosebită la cercetarea staţiunilor din perioada clasică de la Bâtca Doamnei, Cozla şi Calu (Piatra Şoimului) sau a celor daco-carpice de la Vlădiceni, Homiceni, Piatra-Neamţ – Dărmăneşti şi Lutărie, Cândeşti, Izvoare. În sala 16 sunt expuse materiale atribuite culturii tumulilor carpatici (de la Branişte şi Nemţişor), culturii Sântana de Mureş-Cerneahov (de la Doina, şi Izvoare, în special), precum şi din segmentul istoric cuprins între secolele V-IX: prima parte a acestui interval este reprezentată în expoziţie prin piese provenind din aşezările Mănoaia, Costişa, Izvoare-Bahna, Târpeşti, Săbăoani, Borşeni şi mai ales Davideni, (cea mai mare dintre comunităţile săteşti din această perioadă documentate în spaţiul est-carpatic) în timp ce pentru cea din urmă (sec. VIII-IX) cea mai mare parte a materialelor existente în colecţia muzeului provin de la Brăşăuţi, Borniş, Izvoare-Bahna şi Poiana-Dulceşti. Ultima vitrină a sălii este rezervată pieselor provenind de la Piatra-Neamţ-Bâtca Doamnei, unde în perioada evului mediu timpuriu a existat o tabără militară. Folosind mijloace de expunere specifice, sălile 17 şi 19 ale muzeului înfăţişează aspecte semnificative ale evoluţiei economice sociale şi culturale a judeţului Neamţ pe parcursul Evului Mediu, fiind consemnate evenimentele majore care s-au petrecut pe aceste meleaguri, la care localităţile ţinutului Neamţ s-au racordat. Printre exponatele cele mai importante din acest segment istoric se numără tezaurul de la Buruieneşti (conţinând obiecte de podoabă, lingouri şi monede medievale) şi reconstituirea interiorului unei locuinţe descoperite la Târgu-Neamţ, datând din secolul al XIV-lea, cu o sobă cu cahle tip oală. Dezvoltarea economică, socială şi culturală a comunităţilor rurale şi urbane în secolele XIX-XX, cât şi participarea locuitorilor judeţului la marile evenimente care s-au petrecut în acest timp sunt evidenţiate în sălile 20-23, prin numeroase documente, fotografii, arme, medalii şi obiecte de epocă. Circuitul expoziţional se încheie cu sala 24, în care sunt etalate arme alb şi de foc din secolele XIX şi XX. Cabinetul numismatic, având două săli de expoziţie, prezintă publicului vizitator monede antice şi medievale, medalii, obiecte de podoabă de aur şi argint, vase de metal. Din ultima categorie menţionăm tezaurul de vase de aur de la Rădeni şi vasele de argint din tezaurul de la Muncelul de Sus (jud. Iaşi). Alături de expoziţia de bază, muzeul organizează numeroase expoziţii temporare, sesiuni şi colocvii cu caracter cultural-ştiinţific, întreprinde săpături arheologice pe care le valorifică prin publicaţii, se preocupă de ocrotirea patrimoniului ş.a.