Les musée dispose de plus de 5 000 objets relatifs aux arts thraco-romains, repartis en plusieurs collections.
Collection Plastique en bronze
Elle comprend plus de 200 statuettes en bronze de déités vénérées par les Thraces durant la période I - IV siècle. Parmi elles les plus nombreuses sont celles du Cavalier thrace, Hermès, Héraclès, Fortune, Télesphore, Silen.
S'ajoutent plus de 100 applications en bronze pour des chars, des meubles ainsi que des récipients en bronze de funérailles tumulaires en provenance de toute la Thrace. Parmi les plus appréciés par les visiteurs sont ceux trouvés sur le site Kamenitza, Plovdiv (I siècle) et ceux du village Voïvodino, Plovdiv (II siècle).
Dans cette collection on peut voir également des diplômes romains et des instruments médicaux de la période I - III siècles.
Collection Sculptures antiques
Elle comprend 50 bustes de marbre, des statues de citoyens et des torses de déités, découverts sur le site du théâtre romain de Plovdiv et dans d'autres édifices de Philipopolis. Une partie de ses objets fut fabriquée à Philipopolis.
Le musée dispose de spécimens d'appliques en marbre qui servaient à la décoration des lieux de culte et d'édifices publics de la période I - IV siècles - le théâtre, le stade, le forum, la rue principale avec colonnade près de la porte orientales. Dans les fonds du musée sont conservés la plupart des frises, des colonnes et de chapiteaux du stade antique ainsi que les pilastres de son entrée comportant des attributs de Hermès et Héraclès. La plus somptueuse des décorations et la frise avec les déités de la santé de Philipopolis, du III siècle.
Le musée possède encore des stèles funéraires, des stèles de culte, des sarcophages, des inscriptions tombales et des éléments architecturaux.
Collection Terre-cuite et lampes
Elle contient plus de 500 lampes romaines en argile, fabriquées à Philipopolis selon les modèles des ateliers athéniens
Collection Mosaïques antiques
Elle contient essentiellement de panneaux de mosaïque en provenance d'édifices de culte et d'habitations privés de Philipopolis et se divise donc en deux :
Mosaïques en provenance de maisons d'habitation :
- Mosaïque polychrome avec emblème "Eïréné" d'un édifice construit après l'invasion des Goths en 251
- Mosaïque polychrome de sol avec emblème "Narcisse", avec des dauphins dans les angles, d'une maison du II siècle
- Mosaïque d'une maison avec emblème "Oiseaux bleus", II siècle
- Mosaïque polychrome découverte dans l'apodyterium d'une maison dotée de bains
- Mosaïque polychrome sur deux couches en Opvs Vermicvlatvm découverte dans 9 pièces des thermes sous la rue Knyaz Alexandre, de la période II - IV siècle
- Mosaïques murales et de sol dans les thermes situés sous l'actuelle école Yoakim Grouev, de la période fin du III - début du IV siècle
Mosaïques en provenance d'édifices de culte
- Mosaïque monochrome avec emblème ménorah et inscriptions de donateurs d'une synagogue, III - V siècle
- Mosaïque polychrome sur deux couches avec des figures géométriques, oiseaux et symboles chrétiens, issue d'une basilique d'archevêché à trois nefs, partiellement mise au jour, de la période V - VI siècle
- Mosaïque monochrome d'une résidence du IV siècle
- Habillage en marbre avec mosaïque représentant un cerf et des oiseaux, issue d'un baptistère de la période V - VI siècle
- Mosaïque polychrome d'un martyrium qui se trouvait à l'extérieur de la ville fortifiée, de la période V - VI siècle