Il Museo Civico e la Pinacoteca furono istituiti nel 1898 ed allestiti nell'ala nord-orientale del Palazzo Malatestiano, fatto costruire da Pandolfo III tra il 1413 ed il 1421. Il Museo documenta gli insediamenti preistorici del territorio fanese e la civiltà della colonia e della città romana. La Pinacoteca, oltre alla raccolta delle scenografie di Giacomo Torelli (1608-1678), alle collezioni di monete della zecca fanese, alle medaglie malatestiane di Matteo de' Pasti e alle ceramiche dell'antica farmacia di Sant'Elena (inizi XIX secolo), presenta un'importante raccolta di quadri provenienti dagli edifici delle congregazioni religiose soppresse nel 1867, a cui si aggiunsero, nel tempo, numerosi dipinti, tra cui la raccolta donata dal collezionista Antonelli ed il lascito Vici Martelli. La sezione moderna, con ritratti, paesaggi, quadri con soggetti di genere del XIX e XX secolo, è allestita al piano mezzano, mentre al piano nobile, nella Sala Grande e nella Sala del Caminetto, sono raccolti i dipinti a tempera e ad olio che vanno dal XIV al XVII secolo, di scuola veneta, umbra, marchigiana, bolognese e napoletana, con opere di Domenichino, Guido Reni, Simone Cantarini, Guercino, Guerrieri, Mattia Preti. Nella Sala Morganti al piano terra sono esposti dipinti del XVIII secolo. In due ambienti al piano mezzano sono allestite le collezioni di ceramiche che vanno dal XV al XIX secolo, molte delle quali decorate con la tipica, settecentesca "rosa di Pesaro" e la collezione di Numismatica.
Allestita al piano terra del Palazzo Malatestiano, la Sezione Archeologica ospita reperti di varie epoche rinvenuti a Fano e nel suo territorio già nei secoli passati.Sotto il Portico quattrocentesco della Corte Malatestiana è stato anche ricomposto il cosiddetto mosaico della pantera (databile alla metà del II sec. d.C.).
All'interno sono presenti vetrine che custodiscono reperti preistorici, piceni e greci. Altre vetrine accolgono reperti di epoca romana (ampolle, lacrimatoi, una collezione di lucerne, frammenti di vetri, terrecotte votive, idoletti, spille, anelli ed altro ancora) di varia e non sempre documentata provenienza. Particolarmente degni di nota il famoso cippo graccano che testimonia l'avvenuta applicazione della Lex Sempronia (133 a.C.) anche nel territorio fanese, una statuetta di giovinetto con toga praetexta, bulla e calzari, la grande statua mutila raffigurante l'imperatore Claudio, alcune teste in pietra e in marmo, fra le quali una splendida testa muliebre con pettinatura all'Ottavia (fine sec. I a.C.), frammenti architettonici e scultorei vari, anfore, tessere di pavimenti in cotto e l'emblema centrale del cosiddetto mosaico del Nettuno con l'immagine del dio ritto su quadriga tirata da ippocampi (fine II e primi del III sec. d.C.).
