Το αρχαιολογικό Μουσείο Σάμου περιλαμβάνει δύο κτίρια, το Πασχάλειο Αρχειοφυλακείο, όπου εκτίθεται κεραμική και μικροτεχνία που προέρχεται από το Ηραίο, και το νέο κτίριο που λειτουργεί ως Γλυπτοθήκη.
Στο ισόγειο του παλαιού κτιρίου στη βόρεια αίθουσα εκτίθεται η κεραμική προϊστορικών, γεωμετρικών και αρχαϊκών χρόνων που βρέθηκε στις ανασκαφές στο χώρο του Ηραίου, καθώς και δείγματα προϊστορικών εργαλείων. Στη νότια αίθουσα εκτίθενται επιλεκτικά ευρήματα κεραμικής, χάλκινα μικροαντικείμενα, ασβεστολιθικά ομοιώματα σπιτιών, το περίφημο ανάγλυφο με τους ερωτιδείς, ψηφίσματα και επιγραφές, νομίσματα καθώς και δείγματα διαφόρων τύπων αμφορέων που βρέθηκαν στο Ιερό.
Στον προθάλαμο του ισογείου έχουν στηθεί υπερφυσικού μεγέθους μαρμάρινα γλυπτά. Στον προθάλαμο του ορόφου εκτίθεται το ονομαστό ανάγλυφο του νέου που κρατάει ράβδο, έργο του 5ου αι. π.Χ., καθώς και η μοναδική συλλογή ξύλινων αγαλματιδίων και ομοιωμάτων πλοίων που ήρθαν στο φως με τις ανασκαφές στο Ηραίο τα τελευταία χρόνια.
Στη βόρεια αίθουσα του ορόφου εντυπωσιακή είναι η μοναδική συλλογή σφυρήλατων ή χυτών
χάλκινων γλυπτών που κοσμούσαν αναθηματικούς χάλκινους λέβητες. Σπουδαία θέση ανάμεσα
στα αναθήματα κατέχουν χάλκινα αγαλματίδια κούρων και κορών, πολύτιμα σκεύη και σιδερένιοι οβελοί. Το χάλκινο αγαλματίδιο Θεού του 8ου - 7ου αι. π.Χ. από την Αρμενία ύψους 21,3 εκ. το χάλκινο αγαλμάτιο ευχέτη με το σκύλο του 8ου - 7ου αι. π.Χ. από τη Βαβυλώνα, ο χάλκινος αίγαγρος του 8ου αι. π.Χ. από το Ιράν, το χάλκινο πλευρικό μέλος από χαλινάρι ίππου του 8ου αι. π.Χ. από την Ασσυρία, το χάλκινο αγαλμάτιο της Θεάς Νουίε του 8ου - 7ου αι. π.Χ. από την Αίγυπτο, και πολλά άλλα μαρτυρούν τη μεγάλη φήμη του Ιερού της Ήρας στα πέρατα της οικουμένης και τη μεγάλη συρροή προσκυνητών σ' αυτό.
Στη νότια αίθουσα του ορόφου εκτίθενται ελεφαντόστεινοι μήκωνες και καρποί ροδιάς του 7ου αι. π.Χ. αφιερώματα στην Ήρα, θεά της γονιμότητας, πήλινα κεφάλια βοδιών και ειδωλίων ανθρωπίνων μορφών, κεραμική του 7ου και 6ου αι. π.Χ. Εντυπωσιακά είναι τα αντικείμενα μικροτεχνίας που προέρχονται από το Ιερό. Μερικά τέτοια δείγματα είναι το λακωνικό ανάγλυφο από ελεφαντόδοντο που παριστάνει τον Περσέα να φονεύει τη Μέδουσα, παρουσία της θεάς Αθηνάς, του 7ου αι. π.Χ., το δυτικό φοινικικό χτένι από ελεφαντόδοντο του 7ου αι. π.Χ., το λιοντάρι από το ίδιο υλικό και ο περίφημος "λυράρης", τμήμα από λύρα που παριστάνει έφηβο σε χορευτικό άλμα του 7ου αι. π.Χ. επίσης. Σπουδαία είναι η συλλογή γεωμετρικών ειδωλίων αλλά και η συλλογή κυπριακών κεφαλιών ανδρικών και γυναικείων μορφών του 7ου και 6ου αι. π.Χ. Στην πρώτη αίθουσα της Γλυπτοθήκης εκτίθενται αρχιτεκτονικά μέλη από το Ηραίο, όπως το μαρμάρινο επίκρανο αρχαϊκών χρόνων σε πολύ καλή κατάσταση, ενώ από το αναρτημένο σχέδιο κάτοψης του Ιερού κατατοπίζεται ο επισκέπτης για τα αρχαία κτίρια του χώρου.
Στη μεγάλη αίθουσα εκτίθενται γλυπτά έργα αυστηρού ρυθμού και αρχαϊκών χρόνων.
Αναφέρονται ιδιαίτερα:
Το ακέφαλο μαρμάρινο άγαλμα ντυμένης γυναικείας μορφής, που χρονολογείται στο 570 π.Χ. και αποτελεί ανάθημα του Χηραμύη στην Ήρα, όπως μαρτυρεί η εγχάρακτη επιγραφή στο ένδυμα. Αυτό το άγαλμα είναι πανομοιότυπο με αυτό που εκτίθεται στο Μουσείου του Λούβρου στο Παρίσι, που επίσης προέρχεται από το Ηραίο της Σάμου.
Ο ακέφαλος κορμός μαρμάρινου κούρου, ένα από τα τελειότερα δείγματα αρχαϊκής γλυπτικής, γνωστός ως κούρος του Λευκίου αφιερωμένος στο θεό Απόλλωνα, όπως πληροφορεί ηεγχάρακτη επιγραφή στον ένα μηρό του.
Το σύμπλεγμα του Γενέλεω: Πρόκειται για σύμπλεγμα έξι μορφών, του πατέρα, της μητέρας και των 4 παιδιών τους, έργο το οποίο κατασκεύασε ο Γενέλεως, όπως μαρτυρεί η εγχάρακτη επιγραφή στην καθήμενη μορφή, Φίλεια. Το έργο χρονολογείται το 560 - 550 π.Χ. περίπου. Αντίγραφο του συμπλέγματος έχει τοποθετηθεί στο Ηραίο, όπου σώζεται στη θέση του και ο πρώτος αρχαίος αναβαθμός.
Στη βόρεια πλευρά της αίθουσας εκτίθεται τμήμα κορμού κούρου υπερφυσικού μεγέθους, του οποίου το κεφάλι είναι αντίγραφο του πρωτότυπου που βρίσκεται στο Μουσείο της Κωνσταντινούπολης.
Στην τελευταία αίθουσα του κτιρίου δεσπόζει ο κολοσσιαίος κούρος της Σάμου με διαστάσεις τριπλάσιες του φυσικού μεγέθους τον οποίο αφιέρωσε στη θεά Ήρα κάποιος ΙΣΧΥΣ, όπως δηλώνει η εγχάρακτη στον αριστερό μηρό του επιγραφή "ΙΣΧΥΣ ΑΝΕΘΗΚΕΝ ΟΡΗΣΙΟΣ". Το μοναδικό αυτό έργο αρχαϊκής πλαστικής βρέθηκε κατά την ανασκαφική έρευνα στο Χώρο της Ιεράς Οδού στα ανατολικά του Ηραίου κατά τα έτη 1980 - 1984. Ήταν ένας από τους 5 - 6 κολοσσιαίους κούρους που στόλιζαν τη βόρεια πλευρά της Οδού που οδηγούσε από την αρχαία πόλη της Σάμου στο Ιερό, ενώ στη νότια υπήρχαν ψηφίσματα.