Le collezioni offrono una visione antologica dei capolavori dei maestri dell'antichità classica e permettono di esaminare copie di oltre 80 opere tra le più significative della scultura greca, etrusca e romana. Vi sono esposte opere di alto interesse quali il gruppo del "Nilo", probabilmente realizzato da Antonio Canova (Possagno 1757 - Venezia 1822) per rimpiazzare l'originale trasferito a Parigi a seguito delle requisizioni ordinate da Napoleone Bonaparte.
Di notevole importanza sono il calco di un segmento della Colonna Traiana fatto eseguire sotto Napoleone III (1808-1873 ) ed i calchi di alcune sculture del frontone est del Partenone raffiguranti Erittonio, Il cavallo di Selene e Cefiso, probabilmente fatti realizzare da Re Giacomo III d'Inghilterra quando i marmi originali, attualmente conservati al British Museum di Londra, vennero acquisiti da lord Elgin per arricchire le raccolte inglesi. Alcuni dei pezzi maggiormente rappresentativi dell'arte greca sono quelli di Aristogitone, dal gruppo dei Tirannicidi (470 a.C.), l'Auriga di Delfi, opera bronzea originariamente posta su un carro con quattro cavalli con uno staffiere accanto in piedi, realizzata per celebrare la vittoria del tiranno di Gela nei giochi del 478 o 474 a.C., la Venere di Milo il cui originale è conservato a Parigi al Museo del Louvre , il gruppo del Laocoonte realizzato nel 200 a.C. e attribuito da Plinio agli scultori Agesandro Atenodoro e Polidoro, l'Apoxiomenos di Lisippo da copia ai Musei Vaticani.
L'arte etrusca è invece rappresentata dal sarcofago fittile detto "degli Sposi" da Cerveteri (530-520 a.C.), dal Marte di Todi (fine V secolo a.C.) così chiamato perché rinvenuto nel 1835 in località di Monte Santo a Todi e dal 1836 collocato nel Museo Etrusco Gregoriano, all'epoca in corso di allestimento. Esempi di arte etrusca anche la Chimera d'Arezzo (400-350 a.C.), bronzo votivo scoperto nel 1553 che entrò subito a far parte delle collezioni di Cosimo I dei Medici e la statua del cosiddetto Arringatore (100 a.C.), rinvenuta nel 1566 in un luogo ancora oggi da identificare con certezza (a Sanguineto, nelle vicinanze del lago Trasimeno, secondo alcune fonti , a Pila nei pressi di Perugia, secondo altre).
Tra i pezzi riferibili all'arte romana si segnalano il pannello raffigurante la "Saturnia Tellus" dell'Ara Pacis, completata nel 9 a.C., con grande figura matronale nell'atto di sorreggere due putti e affiancata da due Ninfe su sfondo con paesaggio, il ritratto di "Augusto da Via Labicana", copia di un ritratto precedente, un segmento della Colonna Traiana, il plastico dell'Arco di Traiano a Benevento, il rilievo raffigurante il genio alato Aion pertinente alla base della Colonna Antonina conservata ai Musei Vaticani e datata al 106 d.C. E' inoltre possibile prendere visione di una ricca serie di ritratti sia maschili che femminili sempre di epoca romana. Per quanto riguarda l'Umbria appartengono alla raccolta alcune urne etrusche, in originale, provenienti dal territorio della città di Perugia con scene figurate ed ornati vegetali.