در قسمت جنوب غربی کهن دژ (ارگ سلطنتی)، گنبد سلطانیه به عنوان یکی از بناهای عظیم اسلامی و شاید باشکوه‌ترین آن ها، همچون نگینی سربرافراشته و خودنمایی میکند. این بنا در دوران حکومت سلطان محمد خدابنده (اولجایتو) در مدت 9 سال (از سال 704 الی 712 هجری قمری) احداث شده است. درباره این بنا، فرضیه­های بسیاری از نظر تناسب­ ها، ترکیب ­ها، تلفیق ­ها و دیگر ویژگی­ها از سوی مورخان، جغرافی­ دانان، باستان­شناسان و حتی مردم عادی ابراز شده است که دو وجهه غالب دارند:

نظریه نخست، به مورخان و جغرافی­ دانان متقدم مربوط است که بنای گنبد را آرامگاه سلطان محمد خدابنده اولجایتو معرفی کرده ­اند. نظریه دوم، مربوط به انتساب و اختصاص بنا، از طرف اولجایتو، به آرامگاه علی­بن ابیطالب (ع) و حسین­بن علی (ع) است. کارشناسان با بررسی­های باستان شناسی و مطالعه عناصر معماری، انتساب و اختصاص بنای گنبد سلطانیه به آرامگاه ائمه اطهار (ع) را مردود دانسته­اند و روشن شده است که آرامگاه سلطانیه را غازان و اولجایتو به تقلید از آرامگاه­های موجود در ایران ...مشاهده کامل متن ساخته­ اند.

گنبد سلطانیه، شکوه و برزگی کلیسای جامع مریم مقدس در فلورانس ایتالیا و مسجد ایاصوفیای ترکیه را تداعی می­کند. این بنا، سومین بنای بزرگ تاریخی در جهان و نخستین بنای بزرگ تاریخی ایران می­باشد. این بنا در دوران برپایی، بلندترین بنای جهان بوده است. معماری گنبد سلطانیه، نسبت به آثار مشابه، از نظر عظمت و ابعاد، منحصر به فرد است و نمونه بدیعی از یک آزمایش موفق است. این بنا دارای 5/48 متر ارتفاع، 60/25 متر دهانة قوس، 87/6 متر عرض جرز، 5/17 متر طول جرز از سمت بیرونی و 60/8 متر طول جرز از سمت درونی است.

این بنا 8 ایوان مرتفع و نزدیک به 50اتاق و فضای ویژة اتاق مانند دارد. گنبد سلطانیه نخستین بنایی است که تحول معماری دوران سلجوقی به معماری دوره ایلخانی را به وضوح نشان می­دهد. سنگینی گنبد عظیم و قوس­ها و دیگر عنصرهای معماری را، جرزهای هشت­گانه آن تحمل میکنند. محاسبات به عمل آمده نشان می­دهند که سنگینی گنبد 200 تنی بر روی جرزها که سطح مقطع هر کدام 50 متر مربع می­باشد، استوار شده است. مطالعات اخیر روشن کرده است که این عنصرها دارای مقطع­های توخالی نیز می­باشند. این ویژگی، مقاومت جرزها را در برابر زمین­ لرزه و فشارهای ناشی از باد افزایش میدهد. به کارگیری تیرهای چوبی عاجدار در ابعاد و اندازه­های مختلف، از این نظر، حایز اهمیت می­باشد. ملاط این بنا، مخلوطی از گچ و مقدار اندکی آهک است. گنبد سلطانیه با احتساب طبقه همکف، سه طبقة مشخص دارد: طبقة همکف ایوان­های هشت­گانه را در خود جای داده است و شامل ایوان­های شمال­ غربی، شمال شرقی، ورودی و ایوان جنوبی مشرف به تربت­خانه است. طبقه اول در 40/9 متری از کف کنونی بنا قرار گرفته و دارای دهلیزهای ارتباطی است که دورتادور بنا را احاطه کرده­اند. طبقة آخر در 80/27 متری از کف قرار گرفته است. دراین طبقه، پاطاق گنبد و پایه­های هشت­ضلعی مناره­ها قرار دارند. ارتفاع پاطاق این طبقه 40/1 متر و ارتفاع گبد از طبقة آخر 19متر است.

ورودی سردابه در ایوان ضلع جنوبی قرار گرفته است. طرح سردابه بسیار پیچیده و شامل 7 واحد حجمی است که با یکدیگر ارتباط فضایی ندارند. این روش مقبره­ سازی با هیچ کدام از مقبره­‌های شناخته شدة کنونی ایران قابل مقایسه نیست. به احتمال قریب به یقین، سردابه بر اساس بینش و تفکر آیین­‌های مذهب شمن­ پرستی مغولی طرح­ ریزی شده است. با توجه به فلسفه و عقاید شمن­ پرستی و تأکید آن بر وجود ارواح خبیثه و انواع جادو، برای جلوگیری از ورود و مزاحمت ارواح خبیثه به حریم قبرها، گماردن محافظان و تعبیة مکان­هایی برای برآوردن منظورهای فوق، امری ضروری بوده است. گنبد سلطانیه از نظر تزئینات نمایشگر مرحلة کمال معماری گذشته ایران است و خلاقیت طراحان، معماران و مهندسان زمان خود را به نمایش و داوری گذاشته است. در این بنا، دو لایه آرایش و زینت معماری شناسایی گردیده است: قسمتی از تزئینات لایة دوم به دوران اولجایتو و اوایل دوران سلطان ابوسعید بهادر تعلق دارد.

تزئینات لایة نخست، به طور کلی، با پیشرفت کار ساخت بنا اجرا گردیده و در هنگام افتتاح ابواب­ البر، پایان پذیرفته است. عمده ­ترین عنصرهای تزئیناتی در گنبد سلطانیه عبارت­اند از: تزئینات آجری، گچ­بری، کتیبه­نویسی و کاشی­کاری که همگی با هم و با هماهنگی جالب توجهی سامان یافته­ اند. طولانی­ترین کتیبه این بنای تاریخی کتیبه­ای است که در فاصله 360 سانتی­متری از کف گنبد، و در عرض 75 سانتی­متری دورتادور بنا نوشته شده است و به سوی ایوان­ها و جرزها ادامه یافته است. در این کتیبه، سورة "فتح" به خط زیبای ثلث نوشته شده است. در بالای هر یک از ایوان­های هشت­گانه، یک حدیث ذکر گردیده است. در سطح قوس، در طبقه دوم ایوان شرقی، کتیبه­ای از آجرهای پیش­بر در زمینة کاشی­کاری معرق به رنگ سبز و آبی وجود دارد. بر این کتیبه، آیة 125 سورة مبارکة "بقره" (سورة یکم) به خط کوفی نوشته شده است. درسطح جرز ایوان­های جنوب­شرقی و جنوب غربی، طرح­های تزئینی به شکل ترنج با رنگ آبی طراحی گردیده­ اند و خط­های کلی این نقش­ها، اسلیمی است. در لابه­ لای این نقش­های اسلیمی، کلمات ابوبکر، عمر، عثمان و علی، حسن و حسین پیوسته تکرار شده اند. این گنبد به تنهایی یکی از شگفتی­های معماری در ایران و جهان به شمار می­رود و از ارزشهای درجه اول جهانگری برخوردار است.

اشیاء نمایشی در این موزه عبارتند از :

اشیاء کاوش شده از سلطانیه شامل انواع پی سوز سفالی یک قسمتی و بشقابی ساده ،انواع کاشی‌های زرنگار ، صلیبی ،ساده ،معرق و .. ، انواع سکه‌های مسی و نقره مربوط به دوره ایلخانی و .. 

این موزه زیبا سالانه میزبان علاقه مندان زیادی است.