Dal 1889 parte del più imponente complesso termale di Roma e del mondo romano occupava in antico una vasta area compresa tra le attuali via Torino, via Volturno, piazza dei Cinquecento, via XX Settembre è sede della sezione di antichità romane. 

Il chiostro della certosa di San Maria degli Angeli, il cui progetto è attribuito a Michelangelo, si presenta attualmente totalmente restaurato con un accurato intervento che ha consentito di mettere in luce la tipologia e le finiture originarie. È stato anche ridefinito l’allestimento delle opere d’arte che occupano i quattro ambulacri, su basi che consentono un’ottimale fruizione delle sculture. I reperti, provenienti per lo più da rinvenimenti fortuiti in località varie dell’area urbana e del suburbio, sono collocati secondo il criterio topografico convenzionale: interno delle mura serviane, vie consolari, Tevere, ecc.

Il giardino verso piazza dei Cinquecento che costituisce fin dalle origini l’ingresso al Museo, è frutto anch’esso di un consistente restauro che lo ha riportato all’aspetto degli anni ’50 e ospita materiale epigrafico, prevalentemente di carattere funerario e materiale architettonico vario. Le stele funerarie risalgono prevalentemente alla fine dell’età repubblicana - prima età imperiale; le are sono riferibili ai primi due secoli dell’impero. Sarcofagi e statue funerarie sono esposti nel viale d’accesso. La sezione epigrafica del Museo si presenta oggi in un nuovo allestimento che si prefigge di illustrare la nascita e la diffusione della scrittura latina, attraverso l’esposizione di una ricchissima raccolta di reperti individuati nell’ambito del vasto patrimonio del Museo.

Il percorso museale del pianterreno ospita le opere esposte in ordine cronologico; al piano superiore sono esposte le testimonianze epigrafiche dell’età imperiale proposte al visitatore secondo i grandi temi sociali, amministrativi e religiosi. Tra i documenti più significativi le iscrizioni recentemente scoperte nell’area della Meta Sudans a Roma.

Nel piano rialzato del chiostro michelangiolesco è esposta la collezione che illustra la protostoria dei popoli latini, cioè il processo formativo delle società all’interno delle quali si è verificato il primo sviluppo di Roma. Tra i reperti più significativi, i materiali di recenti scavi quali quelli di Osteria dell’Osa e Castiglione, Gabi, Acqua Acetosa Laurentina, Fidene, ecc., la cui natura e valenza storico-culturale sono chiarite attraverso illustrazioni grafiche e informatiche, plastiche e pittoriche.

All'interno del Museo Nazionale Romano-Terme di Diocleziano vi è uno spazio dedicato al Museo virtuale della Via Flaminia Antica. Si tratta di una nuova installazione di realtà virtuale multi-utente sul paesaggio dell' Antica via Flaminia. L'applicazione fa uso dei più moderni e suggestivi strumenti di rilievo archeologico e ricostruzione del paesaggio storico. 

Riaperta al pubblico, dopo il restauro, anche la maestosa Sala XI delle Terme di Diocleziano dove è possibile vedere il grandioso mosaico (80 metri quadri di estensione) del II sec.d.C. raffigurante Ercole mentre stringe vittorioso il corno strappato dal capo sanguinante del dio fluviale Acheloo. 

Dal 24 settembre 2014 in occasione del Bimillenario augusteo sono mostrati i risultati dell’intervento conservativo della fronte della monumentale natatio e delle strutture che di essa rimangono. L’adiacente aula VIII viene allestita con i grandiosi frammenti architettonici delle terme stesse finalmente esposti al pubblico. 

Il restauro di questo immenso complesso ha interessato anche le strutture rinascimentali della Certosa di Santa Maria degli Angeli, costruite su quelle antiche. Viene infatti riaperto il percorso di visita nel Chiostro piccolo della Certosa, allestito con la meticolosa ricostruzione degli Atti degli Arvali e dei Ludi Saeculares, antichi culti rifondati nell’ambito della politica religiosa di Augusto. È previsto un percorso per disabili e sono presenti servizi a loro dedicati.