Экспозиция разместилась в шести залах и охватывает все времена в истории города – от основания до начала XXI века.
В первом зале, освещающем историю Ярославля XI – XV веков, центральное место занимает макет, он демонстрирует, как город выглядел семь столетий назад.
Материалы следующего зала погружают в период XVI – XVII столетий. Здесь ярославская церковная фреска XVII века, обычно удаленное от глаз монументальное произведение, просматривается в мельчайших деталях, изразцы с характерным местным орнаментом, предметы вооружения и снаряжения воинов, бытовой комплекс с подлинными вещами XVII века.
Третий зал показывает город XVIII – первой половины XIX века, становление Ярославля как столицы губернии, создание первого русского национального театра, изменение городской среды.
Следующий зал отражает развитие промышленности во второй половине XIX – начале XX века. Макеты парохода и трамвая, аппарат Морзе, комната с электрической люстрой и мебелью в стиле модерн отражают изменение ритма жизни и представления о комфорте.
Еще один зал освещает «травмы и триумф XX века»: июльскую катастрофу 1918 года, глобальное разрушение города, импульсы его последующего восстановления и развития, трудовую доблесть ярославцев в годы Великой Отечественной войны. Период второй половины XX – начала XXI века освещен в последнем зале, в интерьерах и вещах эпохи, стремительно уходящих из повседневной жизни. Только в музее можно увидеть знак мэра города Ярославля, используемый в церемонии инаугурации.