Das Museum ist seit 1951 im Schloss Fechenbach untergebracht, einem im 19. Jahrhundert unter Einbeziehung älterer Bauteile im spätklassizistischen Stil errichteten Bau. Nach der letzten Sanierung konnte das Museum 2007 in neuer Gestalt wieder eröffnet werden.

Das Untergeschoss ist der Archäologie gewidmet. Zu sehen sind hier jungsteinzeitliche, bronzezeitliche und eisenzeitliche Funde aus dem Dieburger Raum, wobei die kulturellen Unterschiede zwischen den einzelnen Epochen vor allem anhand der Bestattungsrituale veranschaulicht werden. Breiten Raum nimmt die Darstellung der Römerzeit ein, in der Dieburg gegründet wurde. Die damals ummauerte Stadt besaß die Funktion eines Verwaltungsmittelpunktes und war größer als im Mittelalter. An die römische Epoche erinnern zahlreiche Alltagsgegenstände, Kultgeschirr und Grabbeigaben. Zu den bedeutendsten Exponaten zählt die 1926 in Dieburg gefundene beidseitig skulptierte Reliefplatte eines einst um die Mittelachse drehbaren Mithraskultbildes. Nähere Informationen zum Mithraskult werden den Besucherinnen und Besuchern in einem inszenierten Mithräum vermittelt. Eine Jupitersäule, ein Jupitergigantenreiter und weitere Skulpturen verweisen auf die römische Götterwelt. Die Nachbauten eines Speisezimmers (triclinium) und einer Küche bringen den Gästen die römische Esskultur näher.

Die stadtgeschichtliche Abteilung beginnt mit dem Frühmittelalter, das durch ein fränkisches Reitergrab vertreten ist. Thematische Schwerpunkte in den folgenden Epochen bilden die Stadtbefestigung, der Fachwerkbau und die Wallfahrt. Durch einen Schacht kann ein Stück originales mittelalterliches Hof- oder Straßenpflaster betrachtet werden.
Weiterhin widmet sich die Ausstellung dem in Dieburg ansässig gewesenen Adel, wie zum Beispiel der Familie von Fechenbach, die von 1842 bis 1939 im Schloss lebte. Informationen zur Baugeschichte des Schlosses von der Entstehungszeit bis zur Gegenwart werden auf moderne mediale Weise vermittelt.

Eine Abteilung mit Gefäßen und Kacheln von der Römerzeit bis zum 20. Jahrhundert ist dem heimischen Töpferhandwerk gewidmet. Neben einem Kolonialwarenladen der Zeit um 1910 ist eine aus Fränkisch-Crumbach stammende Blaufärberwerkstatt mit zahlreichen Modeln zu besichtigen. In der Osterzeit werden an den „Blaufärbertagen“ des Museums die Arbeitsgänge zur Herstellung der blauen Stoffe vorgeführt.