Exhibe objetos arqueológicos de la cultura tlaxcalteca obtenidos en excavaciones de espacios cercanos al templo prehispánico encontrado en el lugar. Esta cultura se caracteriza, entre otras notas, por su cerámica polícroma tipo códice, donde se aprecia un culto muy importante a Tezcatlipoca con representación de rituales de sacrificio humano.

Es un inmueble habilitado en el año de 1991 para albergar la colección arqueológica que se obtuvo de las temporadas de excavación efectuadas desde aquel año. Cuenta con dos salas de exhibición y otra donde se realizan trabajos de investigación. Contiene alrededor de 750 piezas, entre esculturas de piedra y barro, puntas de flecha de obsidiana, agujas de hueso, malacates y la importante colección de cerámica. La muestra también incluye entierros con ofrendas.

El edificio es de muros anchos de piedra y techo de teja. La fachada, así como el muro posterior, están decorados con elementos de la pintura mural prehispánica y de la cerámica polícroma que se ha encontrado en el lugar.

El museo de sitio de Ocotelulco tiene un área ajardinada en donde hay plantas que fueron aprovechadas en tiempos precortesianos, como varias especies de maguey, nopales y aguacate. También hay árboles cuyo origen, en esta tierra, se sitúa después de la Conquista y que fueron traídos por los españoles, como los duraznos, limones y naranjos.