Η συλλογή ψηφιδωτών περιλαμβάνει 70 σύνολα αποκολλημένων ψηφιδωτών που κοσμούσαν τοίχους και δάπεδα δημόσιων κτιρίων, ναών και κατοικιών. Τα περισσότερα από αυτά βρέθηκαν σε σωστικές ανασκαφές της Θεσσαλονίκης και χρονολογούνται από τον 4ο έως και τον 7ο αι.

Το αρχαιότερο σύνολο (αρχές του 4ου αι.) προέρχεται από το γαλεριανό, ανακτορικό συγκρότημα της Θεσσαλονίκης. Πρόκειται για δάπεδα με ασπρόμαυρη, γεωμετρική διακόσμηση, που αποδεικνύουν ότι η ρωμαϊκή, δυτική παράδοση του ασπρόμαυρου ψηφιδωτού συνεχίζεται την εποχή αυτή στην πόλη.

Κατά την παλαιοχριστιανική περίοδο (4ος-7ος αι.) η Θεσσαλονίκη αναδεικνύεται σε καλλιτεχνικό κέντρο όπου εργάζονται σπουδαία συνεργεία με ψηφοθέτες, όπως δηλώνουν τα θαυμάσια εντοίχια ψηφιδωτά της Ροτόντας. Στη θέση των παλιότερων ρωμαϊκών θερμών χτίζονται πολυτελείς χριστιανικοί ναοί, όπως η Αχειροποίητος και ο Άγιος Δημήτριος που κοσμούνται επίσης με εντοίχια ψηφιδωτά υψηλής καλλιτεχνικής ποιότητας.

Στη συλλογή του Μουσείου περιλαμβάνονται τμήματα από την εντοίχια διακόσμηση της Αχειροποιήτου, με ψηφιδωτά φτιαγμένα από κυβικές ψηφίδες υαλόμαζας καλυμμένες με φύλλα χρυσού, που αποδίδουν πουλιά, κρήνες και φυτικό διάκοσμο, σύμβολα του παραδείσου. Ιδιαίτερη ενότητα αποτελούν τα σημαντικά εντοίχια ψηφιδωτά του Αγίου Δημητρίου με παράσταση του αγίου και αφιερώσεις παιδιών καθώς και τo μαρμαροθέτημα, μικρά συναρμοσμένα κομμάτια μαρμάρου που σχηματίζουν γεωμετρικά θέματα.

Στη συλλογή εντάσσονται επίσης δάπεδα από παλαιοχριστιανικούς ναούς που κοσμούνται με φυτικά και ζωικά θέματα, όπως κισσόφυλλα, ελάφια και παγώνια. Τα παραπάνω θέματα συνδυάζονται με γεωμετρικά, όπως πλοχμούς και ταινίες, ενταγμένα συνήθως σε διάχωρα.

Σημαντικό μέρος της συλλογής περιλαμβάνουν δάπεδα από τρικλίνια, επίσημες αίθουσες υποδοχής, σε πλούσιες κατοικίες της Θεσσαλονίκης (εικ. 1). Τα ψηφιδωτά αυτής της ομάδας χρονολογούνται από τον 4ο έως και τον 6ο αι. Αποτελούνται από απλά, ακόσμητα χονδροψηφιδωτά αλλά και ψηφιδωτά με πλούσιο διάκοσμο, γεωμετρικό και φυτικό, στα οποία η ανθρώπινη μορφή είναι σχετικά σπάνια (εικ. 2).

Ψηφιδωτά της συλλογής εκτίθενται στις αίθουσες 1, 2, 3, 11 της μόνιμης έκθεσης και στην αυλή των εκπαιδευτικών προγραμμάτων του Μουσείου Βυζαντινού Πολιτισμού.