L'istituzione, che riutilizza edifici all'interno dell'area del castello, presenta un allestimento fra i migliori in Sicilia per la cura espositiva e la chiarezza del racconto proposto attraverso documenti relativi alle diverse fasi evolutive della cultura eoliana. Il settecentesco ex Palazzo vescovile ospita la Sezione preistorica (sale I-X), dedicata ai materiali provenienti dagli scavi condotti sull'acropoli di Lìpari. All'interno di una costruzione moderna riadattata è ospitata la Sezione epigrafica, con numerosi cippi e steli funerarie con iscrizioni per lo più greche, provenienti dalla necropoli greca e romana di contrada Diana. La Sezione delle isole minori (sale XI-XV) è nel piccolo padiglione di fronte al Palazzo vescovile e conserva materiali dai siti di Panarèa, Filicudi, Alicudi, Salina e Stromboli. All'interno di una casa del XV secolo è ospitata la Sezione vulcanologica, che illustra la formazione e la storia geologica dell'arcipelago eoliano, nonché i condizionamenti dovuti all'intervento dell'uomo. In un piccolo edificio a ridosso delle fortificazioni è esposta invece la sezione dedicata alla paleontologia del Quaternario. Nel padiglione a nord della Cattedrale è collocata la Sezione dell'archeologia classica, (sale XVI-XXVI) che comprende la Sezione dell'archeologia di Milazzo e la Sezione di archeologia sottomarina, che riunisce le testimonianze di circa 15 relitti, accertati sui fondali marini delle Eolie in punti particolarmente insidiosi per la navigazione. La fase insediativa pre-greca si può suddividere in dieci periodi, sei dei quali precedenti all'età del Bronzo. Il Neolitico è documentato da tracce insediative e ceramiche decorate nello stile di Stentinello rinvenute in Castellaro Vecchio a Lìpari. Segue il Neolitico medio, in cui si registra il primo insediamento sul castello di Lìpari, con ceramica decorata a tre colori e caratterizzata da meandri e spirali incisi sulla superficie, che evolve in quella dipinta con motivi più complessi. Il successivo insediamento in contrada Diana a Lipari ha restituito ceramica rossa lucida senza disegni e caratterizzata da anse tubolari o a rocchetto. L'età del Bronzo è rappresentata dalle ceramiche d'importazione ivi rinvenute, che testimoniano i rapporti con l'Egeo; si incontrano i primi abitati con capanne in pietra e ha allora inizio il commercio dell'allume e dello stagno. Fra il 1400 e il 1270 a.C. la ceramica assume forme e decorazioni simili a quella contemporanea di Thapsos. Dopo una fase di spopolamento, gli oggetti d'uso domestico rinvenuti attestano i contatti con la cultura della tarda età del Bronzo della penisola italiana; solo successivamente le capanne vengono costruite con tetti a capriate e le ceramiche sono lavorate in preferenza al tornio. Un'ennesima distruzione pone fine anche a questa cultura e le isole rimangono, fino all'arrivo dei greci, pressoché disabitate. Le più antiche tombe legate al periodo greco, rigorosamente a cremazione, risalgono all'VIII secolo a.C; con i secoli VI e V a.C. prevale la sepoltura per inumazione segnalata sopratterra da segnacoli di svariata fattura. Di notevole valore i corredi, ceramiche tardo-corinzie e attiche a figure nere, ma anche a vernice nera e a righe di produzione locale; quattro crateri sono considerati opere giovanili del pestano Asteas. Interessante la ricchissima produzione di maschere tragiche, satiresche e comiche legate alle opere di Sofocle, Euripide e Aristofane: gli esemplari ritrovati a Lìpari - circa 400 - documentano tutti i personaggi più importanti di tali rappresentazioni. Al III secolo a.C. datano le maschere indossate nella Commedia nuova e l'opera innovatrice del Pittore di Lìpari, del quale si conservano oltre 100 vasi. Nel periodo romano, le tombe a cappuccina divengono l'unica tecnica di sepoltura; più tardi compaiono rozze tombe in muratura con materiali riadoperati.