Viena no Ventspils muzeja struktūrvienībām - Livonijas ordeņa pils, kurā kopš 2001. gada septembra izvietots Ventspils muzejs, ir senākā saglabājusies būve Ventspilī, celta 13. gs. otrajā pusē (rakstu avotos pirmoreiz minēta 1290. gadā), un to var uzskatīt par vecāko viduslaiku cietoksni Latvijā, kas tikpat kā nemainītā veidā saglabājis savu pirmatnējo apjomu. Savukārt pils kapela ir vecākā saglabājusies baznīcas telpa Kurzemē. 13.–16. gs. pili izmantoja Livonijas ordeņa brāļi, tur darbojās evaņģēliski luteriskā baznīca (1706–1835), pareizticīgo baznīca (1845–1901), kā arī cietums (1832–1959). Pils tikusi izmantota dažādu administratīvu iestāžu un armijas daļu izvietošanai.

Padomju armijas daļas pili atstāja 1983. gadā. 1997. gadā tika restaurētas pils fasādes un labiekārtota teritorija. Izpētes un restaurācijas gaitā zem vairākiem apmetuma slāņiem atklāti unikāli 15.–17. gs. sienu gleznojumu fragmenti, arheoloģiskajos izrakumos iegūtas daudzveidīgas liecības par pili un tās iedzīvotājiem. 2001. gada septembra sākumā pēc restaurācijas darbu pirmās kārtas pabeigšanas atklāta Ventspils muzeja pastāvīgā ekspozīcija, kas veltīta pils, pilsētas, ostas un Ventspils novada vēsturei, un digitālā ekspozīcija “Dzīvā vēsture”. Ekspozīcija izvietota pils tornī un pils 1. stāvā, kur skatāms grandiozs manteļskurstenis un mājvietu radis muzeja izglītības centrs ar interaktīvu nodarbību iespējām bērniem un jauniešiem, kā arī pieaugušajiem. Vēlāk atjaunotas 2. stāva telpas – kapela, ordeņa brāļu guļamtelpa un ēdamtelpa, kapitula zāle, virsvārtu telpa -, tur atrodas ekspozīcija “Ventspils pilsēta un novads vēstures ritumā zem dažādām varām”.

Muzejā regulāri notiek mākslas un vēstures tēmām veltītas izstādes, koncerti un pilsētas kultūras dzīvi bagātinoši pasākumi.