Najsławniejsze z pojedynczych rzeźb to Głowa Hery i Hermes Praksytelesa, obie z IV w. p.n.e. i razem odkryte w Świątyni Hery. Hermes należy do najlepiej zachowanych rzeźb klasycznych i zwraca uwagę niezwykle swobodną pozą; zachowały się nawet ślady oryginalnej farby. Jeszcze wspanialsza jest Nike dłuta Pajoniosa, pierwotnie licząca sobie dziesięć metrów wysokości. Posąg jest niekomp­letny (i aktualnie ogrodzony z powodu prac konserwatorskich), ale daje niezłe wyobrażenie tego, jak musiało wyglądać pełne rzeźb sanktuarium w okresie swej największej świetności.

Najciekawsze z mniejszych eksponatów zgromadzono w sali 4. Znalazły się tu m. in. przedmioty z brązu, w tym Perski Hełm, zdobyty przez Ateńczyków w bitwie pod Maratonem i (obok niego) Hełm Miltiadesa. zwycięskiego ateńskiego dowódcy. Oba znaleziono wśród darów składanych w świątyni. Można też podziwiać wspaniałego Zeusa porywającego Ganimedesa oraz liczne znaleziska z pracowni Fidiasza, w tym puchar z wyrytym imieniem rzeźbiarza.

W głównym hallu muzeum znajdują się najistotniejsze znaleziska z Olimpii: posągi i rzeźby ze Świątyni Zeusa, m. in. trzy grupy, niegdyś pokryte farbą. Z celli pochodzi fryz przedstawiający Dwanaście Prac Herkulesa o delikatnym rysunku i w większości nieźle zachowany. Dwie pozostałe grupy pochodzą z frontonu wschodniego i zachodniego.

Wschodni, nawiązujący do olimpijskich wyścigów, przedstawia Zeusa oglądające­go Ścigających się na rydwanach Pelopsa i Oinomaosa. Istnieje kilka wersji tego mitu. Król Oinomaos (Ojnomaos), ostrzeżony, iż zginie zabity przez zięcia, każdego ze starających się o rękę córki Hippodamii wyzywał na pojedynek — wyścig rydwanów. Na starcie dawał się wyprzedzić, po czym doganiał rywala i mordował go znienacka od tyłu.

Króla (w lewej części fryzu) pokonał w końcu Pelops (po prawej z Hippodamią); w zależności od wersji tej historii, albo dzięki pomocy Zeusa (widoczny pośrodku), albo też dzięki magicznym rumakom otrzymanym od Posejdona, lub — w najmniej olimpijski sposób — przekupując woźnicę Oinomaosa, by ten uszkodził koło w swoim rydwanie.

Zachodni fronton, mniej kontrowersyjny mitologicznie, przedstawia Bitwę Lapitów z Centaurami (Kentauromachia) podczas uczty weselnej króla Lapitów Pejritoosa. Tym razem wydarzeniom przygląda się Apollo, zaś Tezeusz pomaga gos­podarzom rozprawić się z pijanymi centaurami, którzy — ukazani z dość brutalnym realizmem — dobierają się do kobiet i młodzieńców zaproszonych na wesele.

W ostatnich salach muzeum zgromadzono przedmioty związane ze sportem: chaltery, czyli ciężarki do skoku w dal, dyski, kamienne ciężary do.podnoszenia i wiele innych. Można się tu również zapoznać z licznymi inskrypcjami po­grzebowymi, w tym jedną poświęconą bokserowi Kamelotowi z Aleksandrii, który zmarł na stadionie po tym, jak modlił się do Zeusa o zwycięstwo lub śmierć.