Tarih öncesinde Çeşme’de Neolitik, Bronz ve Demir Çağları, tarihi devirlerde; Lidya, Pers, İskender, Bergama Krallığı, Roma ve Doğu Roma İmparatorluğu egemen oldu. İzmir’i Doğu Roma İmparatorluğu’ndan alarak kendine başkent yapan ilk Türk Amirali Emir Çaka Bey Çeşme’yi 1071 ve 1081 yılları arasında topraklarına katarak Türkleştirdi. Çelebi Mehmet zamanında ise Osmanlı toprağı oldu. Osmanlı Devleti için önemli bir ticaret kapısı olan Çeşme Limanı, Sakız Adası’nın Osmanlı Devleti’ne bağlanması sonucunda Cenevizli tüccarlar tarafından terk edilmiş ve giderek önemini kaybetmiştir.

Çeşme Kalesi 1508 yılında Aydın Valisi Mir Haydar tarafından Mimar Ahmet Oğlu Mehmet’e yaptırıldı. Evliya Çelebi’nin seyahatnamesine konu olan kale, Çeşme Limanı’nda inşa edildi. Çeşme Limanı öneminden dolayı çok sayıda baskına uğradı. Bu nedenle, müzenin üç tarafında hendek ve hendek içinde de iç içe iki sur yer almaktadır. Müze, batı cephesinde dört (Ceneviz, Cezayirli Hasan Paşa, Umur Bey ve Barboros kuleleri) ve doğu cephesinde ise iki kule (II.Beyazıt ve Çakabey kuleleri) ile desteklendi. Kale kapısı ise güney cepheye konumlandırıldı. Müzeye ziyaretçi girişi batı cephesinden yapılmaktadır. İç kaleye ayrıca başka kapıdan geçilmektedir. 1770 yılında Osmanlı Rus Deniz Savaşı’nda yıpranan kale Kırım Savaşı’ndan sonra askeri özelliğini yitirdi.

Topkapı Müzesi’nden hibe edilen silahlar Barbaros Kulesi’nde sergilenmesi için yola çıksa da, iklim koşullarının elverişli olmaması ve metal korozyonuna uğramaları sebebiyle İzmir Arkeoloji ve Ödemiş müzelerine nakledildi. Diğer yandan, Ceneviz Kulesi’nde ise çeşitli top silahları sergilenmektedir. Ildırı Köyü Erythrai antik kentinde yapılan kazılar sonucu elde edilen arkeolojik nesneler, Arkeoloji salonunda sergilenmektedir. Bağlararası ve Erythrai salonu yan yana Arkeoloji salonunu oluşturmaktadır. Arkeoloji salonunda İslami-Osmanlı dönemi sikkeleri, Osmanlı dönemi gümüş akçeler, Doğu Roma İmparatorluğu sikkeleri, Germiyan definesi, Helenistik dönem sikkeleri, Arkaik klasik dönem sikkeleri, pişmiş toprak kaplar, cam nesneler, kandiller, takılar ve figürinler sergilenmektedir. Umur Bey Kulesi’nde bulunan salonda Arkaik, Roma ve sonrası dönemlere ait heykeller, steller, Osmanlı dönemi kitabeler, mezar taşları ve güneş saati gibi eserler sergilenmektedir. Kulenin alt katında yer alan Osmanlı Rus Deniz Savaşı salonunda ise savaş teması üzerine sergi tasarlandı. 1770 yılında Çeşme’de gerçekleşen savaş sonucu Ruslar Osmanlı donanmasını mağlup ettiler. Bu sergide savaşın gerekçesi, gelişimi ve sonucu ile ilgili bilgi panoları bulunmaktadır. Müzede savaşa ait batıklardan çıkarılan sikkeler, savaş ile ilgili haritalar, ve etnografik eser olarak da askeri kıyafetler sergilenmektedir.

Müzede balıkçılar tarafından Çeşme ve Karaburun denizlerinden çıkarılan amforalar tarihsel sürece göre sergilenmektedir. Ayrıca Çeşme ilçesine ait tescilli mezarlıklarından orijinal konumlarını kaybeden mezar taşları koruma altına alınmış ve kalenin açık kısımlarında konumlandırılmışlardır. Bu mezar taşlarını özel kılan kopuzlu, köstekli, fişekli, muskalı kıyafet kabartmalarının yer almasıdır.