La biblioteca, suddivisa in tre ambienti, espone le librerie ottocentesche che conservano i circa seimila volumi di letteratura del Sette-Ottocento americana e letteratura classica, tra essi una rara sezione di opere massoniche settecentesche. Al centro della seconda biblioteca si possono ammirare i due globi terrestre e celeste di Wilhelm Janszoon Blaeu, datati intorno al 1600,cosmografo ufficiale degli Stati Generali d’Olanda. La sala espositiva conserva integro il pavimento a terrazzo veneziano, una coppia di piccole librerie e un pregevole cassettone del Settecento intarsiato.

Le stanze sono ricche di quadri, dipinti e disegni che hanno per soggetto vedute di città italiane ed europee, mercati e architetture della Venezia dell’Ottocento.Presso l’antica scuderia di Villa Sartorio c’è la gipsoteca-gliptoteca dei Civici Musei di Storia ed Arte, allestita in uno spazio apposito di 130 metri quadrati. Una ricca collezione scultorea: più di 500 pezzi, giunti dalla fine dell’Ottocento fino ad oggi e gli esemplari più antichi della collezione sono quattro calchi di opere di Antonio Canova, realizzati dall’artista stesso.

Nel sotterraneo si può visitare una bella sezione dedicata alla ceramica, circa duecentocinquanta pezzi, che copre un arco di tempo molto ampio, dal Medioevo all’Ottocento. Il vasellame esposto proviene dalle più importanti manifatture italiane e si conclude con esempi di produzione inglese e  settanta notevoli esemplari della ceramica triestina degli ultimi tre decenni del Settecento.

Villa Sartorio diviene “casa museo” nel 1947 grazie al lascito testamentario di Anna Segrè Sartorio. Al suo interno negli arredi, nelle opere d’arte e negli oggetti di uso quotidiano convivono gli stili:Impero come il Salone centrale dedicato ai ricevimenti e ai balli e adornato da consolles e specchi o la Sala di musica con il pianoforte e una serie di mobili Impero tra cui un’elegante dormeuse o la Stanza da letto del Duca (nel 1919 ospitò Emanuele Filiberto Duca D’Aosta) con una galleria di pregevoli dipinti del Sei-Settecento di soggetto sacro; Neorococò il Salotto rosa arredato con mobilio  intarsiato con motivi floreali;

Biedermeier, come la Sala da pranzo con la tavola apparecchiata e, sulla credenza-piattiera, il pregiato servizio in porcellana Meissen, dono del re di Sassonia Federico Augusto II; Neogotico come la Sala gotica con  con la sua decorazione uniforme dal pavimento al soffitto al mobilio e rispecchia l’adesione alla moda del recupero degli stili storici diffusasi verso la metà del secolo XIX.

In una sala particolare è conservato il prezioso Trittico di Santa Chiara, eccezionale testimonianza della pittura veneziana della prima metà del Trecento, un’opera d’arte eseguita a tempera su tavola. Riquadri raffigurano su fondo oro episodi della vita di Cristo, la morte di Santa Chiara e le stimmate di San Francesco. A trittico chiuso sono raffigurati sull’ala sinistra San Cristoforo, su quella destra San Sergio, con l’alabarda di Trieste in mano.

Il parco venne realizzato nel 1807 da Pietro Sartorio che fece assumere all’ area l’ aspetto del giardino veneto con un portale, una scala monumentale, alcune statue e una gloriette che veniva usata come padiglione per la musica. Le statue che ornano oggi il giardino rappresentano uno dei pochissimi esempi di scultura da esterno del primo Settecento presenti a Trieste.