Il museo, situato negli ambienti adiacenti al Santuario di Bonaria e al convento dei Padri Mercedari, contiene le testimonianze della millenaria storia del colle di Bonaria e della devozione dei fedeli alla Madonna dei naviganti. Il corridoio del chiostro e tre sale costituiscono lo spazio espositivo.

Corridoio: quadretti votivi (XVIII-XIX secolo) e vari altri ex-voto tra i quali migliaia di cuori d'argento; la cassa di legno che conteneva la statua della Madonna.

Prima sala: testimonianze archeologiche del Colle, che, frequentato fin dal periodo nuragico, è stato sito di una necropoli tardo-punica e romana.

Seconda sala: numerosissimi modellini di navi (circa 150) di tutte le epoche; un'ancora d'argento offerta dalla Regina Margherita nel 1899, in ringraziamento per il buon esito della spedizione polare del nipote Luigi degli Abruzzi; le mummie della nobile famiglia spagnola degli Alagon, morta di peste nel 1605, conservatesi tra la roccia calcarea sotto il presbiterio del Santuario dove erano state seppellite.

Terza sala: tesoro, composto da preziosi arredi sacri, ex-voto donati da sovrani, come le corone d'oro di Vittorio Emanuele I e di Maria Teresa, da papi e altri personaggi illustri. Numerosi ex-voto come armi, catene e uova di struzzo (simbolo di resurrezione), venivano donati dagli schiavi liberati dai mercedari, attivamente impegnati nell'opera di affrancamento.