Постоянная византийская экспозиция музея-заповедника, посвященная истории Херсонеса византийской эпохи, находится на втором этаже административного корпуса. Ныне действующая экспозиция, функционирующая с 1982 г., занимает два зала и включает в себя 3060 экспонатов. Она охватывает историю Херсонеса IV–XIV вв. – с того времени, когда он стал частью византийского мира после разделения Римской империи в 395 г. на Западную и Восточную (Византию) и до его гибели в конце XIV в. К концу V – началу VI в. город официально вошел в состав Византийской империи, к концу VI в. его старое название «Херсонес» полностью было вытеснено новым – «Херсон».

Выставка начинается уже в вестибюле, где можно увидеть настенные планшеты, позволяющие ознакомиться с различными древними технологиями и реконструкциями. Основная экспозиция построена по тематическо-хронологическому принципу, то есть все предметы материальной культуры распределены по блокам в соответствии с темами, которые они отражают; внутри блоков соблюдается хронологический принцип. Разнообразие экспонатов воссоздает картину жизни разных социальных слоев горожан. 

Первый зал включает в себя следующие тематические блоки: Крым в позднеантичную эпоху. Управление. Армия. Религия. Христианская архитектура.

Градостроительство. Экономика. Ремесла. Сельское хозяйство и промыслы. В витринах и на подиумах размещены артефакты преимущественно ранневизантийского и средневизантийского периодов.

В первых витринах, рассказывающих о государственном устройстве и армии Херсона, экспонируются высеченные на камне надписи и подвесные свинцовые печати – моливдовулы, свидетельствующие о наличии в Херсоне различных по своему статусу государственных чиновников, а также вооружение пехотинцев и всадников.

В разделе «Религия» экспонируются церковная утварь и предметы личного благочестия. Раритетный характер носит коллекция стеатитовых икон с образами Христа, Богоматери, святых, а также икон со сценами двунадесятых праздников. Бронзовые иконы представлены тремя экземплярами ХI–ХII вв.: круглой иконой Христа Пантократора (редким образцом местного производства) и малоазийской иконой Архангела Михаила Хониата. Украшением экспозиции являются расположенные в центре зала мозаичные полы и коллекция мраморных архитектурных деталей. Перед апсидой на узких высоких подиумах, имитирующих колонны, эффектно возвышаются роскошные ранневизантийские капители. В витрине у окна – великолепная палитра настенной смальтовой мозаики из херсонских храмов, фрагменты мозаичных кубиков на древнем растворе, инструменты художника-мозаичиста. Христианские мотивы, так или иначе, вплетаются почти во все экспозиционные темы, так как христианство было основным мировоззрением византийцев и пронизывало все сферы жизни византийского общества. Например, изображение главного христианского символа – креста – можно увидеть в экспозиции на мраморных декретах, печатях, монетах, посуде, тканях, ювелирных изделиях и прочих предметах.

Вдоль левой стены зала экспонируется местная и импортная   продукция ремесленников, занимавшихся гончарством, обработкой металла и камня, стеклоделием, ювелирным делом. Гордостью музея-заповедника является коллекция глазурованной посуды IX–XIII вв., на которой изображены реальные и фантастические животные и птицы, растительные и геометрические орнаменты, герои мифологических сюжетов.

Завершают первый зал витрины, иллюстрирующие занятия херсонитов сельскохозяйственными работами, морским промыслом, охотой.
Во втором зале экспонируются артефакты преимущественно средне- и поздневизантийского времени, которые демонстрируют широкие культурно-экономические, в первую очередь торговые, контакты Херсона в южном, восточном и северном направлениях, привозные изделия, отражающие эти торговые связи. Центральные (горизонтальные) витрины содержат экспонаты, рассказывающие о повседневной жизни херсонитов: торгово-денежном обмене, грамотности, книжной культуре, досуге, модных в разные столетия аксессуарах, украшениях и прочих сторонах быта.

Особого внимания заслуживает витрина, посвященная русско-корсунским связям, апогеем которых явилось эпохальное событие: военный поход и крещение князя Владимира в Херсоне-Корсуне, за которым последовало крещение Руси. В витрине можно увидеть погребение воина и наконечники ножен мечей скандинавского типа, возможно, принадлежавшие дружинникам князя Владимира, а также каменные прясла из овручского сланца, детали одежды, горшки, украшения, амулеты славянского типа, коллекцию древнерусских бронзовых крестов со славянскими надписями, среди которых выделяется изумительной работы шестиконечный напрестольный крест.

В конце зала размещены две витрины, рассказывающие о последних столетиях жизни города. В одной из них представлены находки из слоя пожара последней четверти XIII в., в результате которого сгорела бόльшая часть города, и он уже никогда не восстанавливался в прежних границах. На стене с арочным верхом и в последней витрине можно познакомиться с находками XIV в., среди которых представлены замечательные образцы храмовых фресковых росписей, относимых специалистами к Палеологовскому ренессансу.

Византийская экспозиция Херсонесского музея-заповедника не только ярко иллюстрирует различные сферы жизни города и его предместья, но и дает уникальную возможность соприкоснуться с бесценным наследием одной из великих древних цивилизаций.