На протяжении уже более чем 90 лет основная экспозиция краеведческого музея размещена в помещениях бывшего духовного училища. Сейчас в главном музейном здании располагаются отделы археологии, истории, искусства и природы. 25 залов экспозиции, серьёзный повод для того, чтобы уделить этому музею самое пристальное внимание.
История Тотемского края начинается с далекой древности. Постоянное население в крае появилось в эпоху мезолита, среднекаменного века, о чём свидетельствуют исследованные археологами мезолитические стоянки. Богатые археологические коллекции Тотемского музейного объединения занимают три зала экспозиции. Особое внимание привлекают ископаемые останки доисторических животных и воссозданное жилище первобытного человека. Для маленьких посетителей работает интерактивная площадка, где можно почувствовать себя археологом и найти в песке те или иные «артефакты прошлого».
Историческая экспозиция продолжается на втором этаже музея, где особый интерес вызывает зал, посвящённый солеварению в Тотьме. Соль, важнейший продукт питания и товар повышенного спроса, выпаривалась из рассола, добываемого из соляных ключей глубокого залегания. Сначала рыли колодцы на глубину до 90 метров, устраивали рассолоподъемные трубы, доставали рассол при помощи специальной бадьи, затем выпаривали из него соль на огромных железных сковородах, цренах. В зале представлена часть рассолоподъёмной трубы, интересный памятник тотемского инженерного искусства.
Долгое время в музее отсутствовали залы, посвященные ХХ веку в истории Тотьмы. В настоящее время идёт поэтапный монтаж данной экспозиции, потому, несмотря на то, что залы открыты, пока целиком с ней ознакомиться нельзя.
Большой интерес среди посетителей вызывает зал, посвящённый Петровской ремесленной школе и её изделиям. Учебное заведение ремесленного профиля, существовавшее в Тотьме в первой четверти ХХ века, принесло городу славу «русского Нюрнберга», центра игрушечного ремесла. Построенная на средства уроженца Тотьмы купца Н.И.Токарева школа просуществовала недолго, но изделия, выпускавшиеся в этот короткий период, настолько интересны, самобытны и ценны, что составляют отдельную коллекцию в фонде Тотемского музейного объединения. Часть из этой коллекции представлена здесь, в залах музея.
Несколько залов экспозиции посвящены творчеству художника Феодосия Вахрушова, пожалуй, самого выдающегося из тотемских мастеров искусств. Вахрушов оттачивал мастерство, обучаясь в том числе у Ильи Репина, и прославился как разноплановый мастер, умевший с одинаковой красотой изобразить пейзажи, портреты и натюрморты.
С миром флоры и фауны Тотемского района гостей знакомит обновленный отдел природы, в котором особый интерес посетителей вызывает детская музейная комната «Открываем экомир», где юные посетители, играя, знакомятся с окружающим миром, исследуя его и познавая законы природы родного края.
В 2019 году открылся зал палеонтологии “Сухонские ящеры”.
