Il museo si articola attraverso il seguente percorso:

• Ingresso

L’abside all’ingresso del museo, testimonianza della piccola cappella appartenuta alle suore della Sacra Famiglia, accoglie il plastico ricostruttivo del Teatro di Nora. L’opera, realizzata dall’arch. Roberto Locche di Pula e gentilmente donata al Museo, consente la visione di un'affidabile e realistica ricostruzione del monumento il cui primo impianto, in base alle ultime ricerche archeologiche, risale al I secolo d.C. Il Teatro fu il primo monumento di Nora che vide la luce nella primavera-estate del 1952 grazie agli scavi condotti da Gennaro Pesce, in occasione dell’effettuazione di alcuni spettacoli che ne prevedevano l’utilizzo . La cavea, di circa 53 m di diametro, contiene 16 o 17 gradini, consentendo una capienza di spettatori pari a 1.100 -1.200 posti.
Sul lato sinistro viene presentata la Tavola del tempo,  un pannello che contiene le sequenze cronologiche relative alla presenza dell’uomo in Sardegna e, in particolare, le fasi storiche che interessano il Museo Patroni, che documenta il periodo fenicio-punico e romano.

• Sala A

Ospita i reperti provenienti dalle necropoli di Nora e qualche esempio di recupero subacqueo (due anfore, una fenicia di VII secolo a.C. con la particolarità di avere sul corpo i segni, significati da 6 fori contrapposti di un antico restauro, che venivano uniti con piombo ai lati di una filatura sulla pancia; l’altra anfora è punica del tipo cosiddetto "a siluro" ascrivibile al III-II secolo a.C., mentre  una terza anfora  di età romana è di produzione iberica); un breve percorso tattile, sulla sinistra, accoglie le riproduzioni di alcune forme ceramiche tra le più frequenti e significative del sito di Nora.
Alle pareti sono illustrati i pannelli che si riferiscono alla stratificazione delle evidenze forensi dagli anni Sessanta ad oggi e antiche fotografie, tratte dall’archivio della Soprintendenza Archeologica di Cagliari e Oristano, relative agli scavi effettuati tra la fine dell’Ottocento e i primi anni del Novecento.
Infine il grande pannello dove sono esplicitate alcune fasi salienti della storia della città: la stele di Nora considerata la più antica testimonianza della presenza fenicia in Sardegna e datata al IX-VIII secolo a.C.; le tappe dell’espansione fenicia e punica nel Mediterraneo; il testo sulle necropoli (punica a inumazione, il tophet a incinerazione); alcune tipologie abitative puniche e romane e, infine, il tempio di Eshmun-Esculapio.
Tutte le vetrine sono numerate a segnare un percorso consigliato.

• Necropoli puniche
  

Nelle prime quattro vetrine sono esposti i corredi provenienti dall’area funeraria. Si trattava di una necropoli ipogeica, oggi scomparsa a causa dell’erosione marina, e interamente scavata alla fine dell'Ottocento. Le quaranta tombe, ricavate lungo l’istmo che conduce alla città di Nora in uno strato di arenaria, erano composte da una camera di piccole dimensioni a cui si accedeva tramite un pozzo, chiuso da una lastra. Contenevano corredi abbastanza ricchi riconducibili a un arco cronologico compreso tra il V e III secolo a.C.  composti da oggetti di uso quotidiano, di produzione punica e di importazione attica. I corredi tombali sono costituiti, per lo più, da piatti, coppe, doppie patere, lucerne ma anche balsamari in pasta vitrea, scarabei in diaspro e monili d’oro. La tomba XXVI (custodita nella vetrina n.2) conteneva i gioielli più significativi: una lamina a forma di foglia peduncolata, lavorata a sbalzo con un motivo a spiga, alla base della quale è raffigurato il volto di una Gorgone, la figura mitologica che impietriva chi osasse guardarla e preposta alla protezione degli ambienti sacri; un anello con castone sul quale sono incisi dei fiori di loto e il nome del proprietario scritto in caratteri punici (trascrizione ‘zb‘l); un orecchino "a croce ansata". L’utilizzo della lamina è incerto e, a tal proposito, si riportano le parole dello scavatore sulla sua possibile funzione: "…destinato come pare ad essere fermato a guisa di spillo in una benda. Il Nissardi mi affermò che tale lamina era infatti stata trovata presso il cranio di uno scheletro. Evidentemente quel morto era stato cinto di una benda dalla quale, sulla fronte, si innalzava la penna d’oro."
I corredi tombali sono costituiti, come detto, da vasellame di produzione punica rappresentato da piatti, coppe, brocchette, lucerne a conchiglia bilicni (con due beccucci), unguentari per oli profumati e doppie patere usate in funzione rituale come bruciaprofumi.
Il materiale punico è, per lo più, inornato o decorato con poche fasce di colore bruno o rosso. Diverso e più pregiato appare invece il materiale attico, che si distingue per la vernice nera brillante che ricopre il corpo dei vasi e talora è sovradipinto con motivi vegetali o geometrici. Le forme più comuni sono i piatti da pesce, le coppe e le coppette, gli askoi che contengono l’olio, gli skyphoi usati per bere il vino.
Procedendo nella visita si passa alla zona del tophet, inquadrata da una bella gigantografia ricavata da una vecchia lastra fotografica, che riprende gli scavatori (uomini, donne e bambini, questi ultimi addetti al trasporto della sabbia come indica la presenza delle ceste) che dissotterrarono le urne cinerarie e le stele della necropoli a incinerazione. 
Il tophet  è un luogo sacro all’aperto (generalmente fuori dalla città) destinato alla sepoltura dei bambini nati prematuramente o morti subito dopo la nascita. I corpi dei bambini venivano cremati e, insieme, venivano sacrificati piccoli animali alla divinità. Le urne contenevano le ceneri e le stele sono degli ex-voto offerti in memoria della celebrazione di un rito sacro.
Il tophet di Nora venne scoperto a seguito di una violenta mareggiata che dissotterrò le urne e le stele che poggiavano direttamente sulla sabbia in prossimità della riva, nell’area della Chiesetta di Sant'Efisio, sulla sinistra per chi va verso Nora.
Sono qui esposte sei stele in pietra arenaria. Da sinistra in basso:
1) lacunosa nella parte superiore si riconosce una figura maschile che cammina; 2  e 6) sono rappresentati i tre betili  (da beth el = casa del signore); 3 e 5) il segno di Tanit, la dea titolare del culto nel tophet, il cui nome deriva dal participio presente femminile del verbo semitico tanàh, che significa donare, perciò Tanit la distributrice di doni è raffigurata a braccia aperte su un corpo triangolare e il disco  sovrastante con gli attributi astrali del sole e della luna; 4) idolo cosiddetto a bottiglia, privo di attributi antropomorfi.

• Necropoli romane
  

Le ultime tre vetrine sono dedicate all’esposizione dei corredi funerari rinvenuti nelle necropoli romane. Nella vetrina n.5 sono esposti i materiali  che fanno parte della Collezione dell’Ing. De Tomasi, donata al museo per espressa volontà dopo la sua morte. Essi provengono per lo più dai terreni situati in regione Su Cuventeddu che precede immediatamente l’istmo che conduce a Nora.  I materiali sono ordinati per classi di oggetti e, partendo dall’alto, si trovano ceramiche appartenenti ai tipi definiti sigillata italica, sigillata tardo-italica e sigillata sud-gallica.
Il nome sigillata deriva dal fatto che la maggior parte dei vasi è provvista del sigillum, cioè del marchio del fabbricante impresso sul fondo interno del vaso, spesso in planta pedis, cioè contenuto in un timbro con la forma del plantare; altre volte il sigillum è compreso nella decorazione esterna impressa sul vaso.
La produzione della ceramica sigillata italica nasce e si sviluppa ad Arezzo intorno al 50 a.C., per poi diffondersi nel centro Italia (con la tardo-italica) verso il 50 d.C. La sud-gallica, come dice il nome, sorse nella Francia meridionale con un grosso centro a Lione e si sviluppò tra il I e il II secolo d.C. La caratteristica principale di queste ceramiche è data dal colore rosso, che nella prima è tendente al camoscio, nella seconda si fa più rossastro e nella terza diviene rosso vinoso brillante. I pezzi più significativi sono la coppa su piede decorata con fila di piume impresse a matrice e il cosiddetto catillus palmipedalis del diametro di 37 cm, importante perché reca sul retro una iscrizione graffita in cui si legge la traslitterazione in lettere puniche del nome latino Domitius, indice, questo della tenace sopravvivenza della cultura punica ancora nel I secolo d.C. oltre alla grande coppa sud-gallica prodotta nel centro di La Graufesenque decorata con motivi vegetali.
Al secondo piano della stessa vetrina sono esposti i vasi a pareti sottili. Si tratta di bicchieri, coppe e boccalini, decorati sobriamente con tratti impressi o incisi che imitano vasellame più raffinato, solitamente vetro o metallo prezioso. La loro cronologia si pone tra la metà del I secolo a.C. al I secolo d.C. Accanto si trova una scelta di tre unguentari fusiformi  con cronologia analoga alla precedente classe ceramica. Al piano sottostante sono esposte alcune tra le forme più comuni della ceramica a vernice nera prodotta in Campania o localmente. La ceramica a vernice nera chiamata Campana A viene prodotta tra la fine del III secolo a.C. e il 50 a. C. e tende a riprodurre le più raffinate forme attiche semplificando e standardizzando la produzione. La ceramica a vernice nera in pasta grigia pare completamente di tradizione sarda, imita il vasellame a vernice nera e attarda la sua diffusione fino alla metà del I secolo a.C..
Nella vetrina n. 6 è esposto, in parte, il corredo di una tomba a cassone rinvenuta fortunosamente - nel 1982 - durante le fasi di escavazione per la rete fognaria, lungo l’istmo che conduce a Nora. La sepoltura era costruita con lastre di pietra intonacate, che formavano un cassone in cui si conservavano diversi vasi contenenti i resti cremati dei defunti (lo scavatore  ipotizzò la presenza di almeno 16 deposizioni) insieme ad altri oggetti di corredo. Alcune urne sono in terracotta comune non decorata, come quelle esposte al piano basso che contengono ancora i resti dei defunti, altre più preziose sono in vetro come le due urne esposte al secondo ripiano della vetrina, di colore verde-azzurro, una globulare con coperchio e l’altra quadrata. Anche le brocche esposte nel ripiano superiore sono state utilizzate come contenitori delle ceneri dei deposti. Gli altri oggetti di piccole dimensioni - unguentari vitrei, coppette, brocchette, ecc... - appartengono al corredo. Una moneta dell’imperatore Antonino Pio, datata fra il 140 e il 144 d.C., ha consentito di ipotizzare l’utilizzo della tomba in questo ambito cronologico e in quello immediatamente successivo.
La vetrina n.7, l’ultima nell’ordine, espone materiali diversi. Al piano inferiore abbiamo una statuetta di età repubblicana che rappresenta una figura di donna e altri oggetti da ascrivere al mondo femminile: gli unguentari vitrei, le pinzette e la spatolina in bronzo, una scatoletta in piombo. I materiali ceramici esposti nello stesso piano rappresentano una campionatura dei reperti più diffusi in ambito forense: le lucerne  repubblicane e imperiali (II secolo a.C. – II secolo d.C.), brocchette di diverse fogge, ecc...
Al piano secondo è esposto il corredo contenuto all’interno di una tomba, scoperta di recente, che è stata battezzata "di Biancaneve" perché, accanto alla deposizione, erano custodite sette lucerne e sette coppette. Le lucerne sono del tipo Deneauve VII B, una delle quali con bollo parzialmente leggibile ma integrabile in (P)ULLA(ENI) o (P)ULLA(ENORUM) e le coppette a pareti sottili di produzione locale sono del tipo Mayet XXXVIII. Questi materiali consentono di stabilire la datazione della sepoltura al II secolo d.C.
Al piano superiore sono esposte tre urne cinerarie di tipologia differente, ma riportabili allo stesso ambito cronologico: due di queste hanno il fondo convesso ma solo una ha il coperchio, l’altra ha il corpo tronco-conico e l’orlo ingrossato. La cronologia delle tre urne è compresa tra il II e il III secolo d.C.