Le musée accueille ses visiteurs par une vaste salle d'exposition temporaire entièrement modulable qui permet de présenter aussi bien de l'art contemporain que des expositions d'archéologie ou d'histoire.
Viennent par la suite les collections permanentes. La visite se déroule selon un parcours chronologique qui débute par les temps préhistoriques. L'époque paléolithique est illustrée par les découvertes réalisées dans un habitat troglodytique à  Farincourt. Les vestiges mis au jour à  Cohons permettent ensuite de retracer l'évolution d'un habitat du néolithique à  l'âge du bronze. De l'armement, des dépôts ainsi que le riche mobilier funéraire des tumulus de l'âge du fer complètent cette évocation.

Le visiteur accède ensuite au niveau inférieur, entièrement dévolu aux collections gallo-romaines. Cette antique civilisation est illustrée par des œuvres majeures telles que la mosaïque polychrome dite de Bacchus, magnifique pavement de 50m2 daté du second siècle de notre ère ou encore le togatus, statue acéphale en marbre blanc.
C'est par une rampe d'accès en pente douce que l'on pénètre dans l'église Saint-Didier, édifice dont la partie la plus ancienne remonte au XIIème siècle. Dans le chœur et la nef sont présentées des œuvres du Moyen-Age et de la Renaissance, statues et bas-reliefs (Saint Joseph, Saint Didier portant sa tête, Sainte Catherine d'Alexandrie...), groupe polychrome en ivoire du XIVème siècle dit de l'Annonciation de Philippe Le Hardi, pavement de la chapelle d'Amoncourt (XVIème).

Mosaïque de Bacchus

A l'étage, la peinture du XVIIème siècle est richement représentée par des toiles d'artistes ayant travaillé dans la région et notamment Jean et Richard Tassel, peintres langrois. L'art du XVIIIème est quant à  lui illustré par des œuvres de Nicolas Largillière et de François de Troy, Claude Gillot et Bouchardon.
Le visiteur regagne ensuite l'aile neuve par une passerelle aérienne dans laquelle sont exposés quelques témoignages de la production coutelière langroise. Des faïences d'Aprey, des étains et des porcelaines de Giey-sur-Aujon viennent compléter ce panorama sur les activités artisanales et industrielles régionales. Elles s'inscrivent dans un grand espace en mezzanine divisé en cellules oùfigurent des œuvres de représentants de l'école de dessin de Langres (Jules Ziegler, élève d'Ingres) ainsi que des toiles de peintres de genre langrois de la fin du XIXème siècle (Jules Hervé, Jules-Alfred Hervé dit Hervé-Mathé, ou Charles Royer).

Exposition Gustave Dutailly au musée de Langres

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