Muzeul adăpostește o bazilică paleocreștină de la sfârșitul secolului al IV-lea, situată deasupra unor morminte martirice. Are o absidă semicirculară ieșindă, naos rectangular împărțit în trei nave prin stâlpi de sine stătători, care sprijineau, în spațiul vertical al edificiului, un acoperiș de lemn în două ape, învelit cu olane. Nu avea nartex, în schimb avea pilaștri angajați în capetele sudice ale navelor laterale, în scopul susținerii unor arcade transversale și care compartimentau spațiul interior al navelor laterale, de o parte și de cealaltă a intrării în nava centrală, intrare largă situată pe axul absidei. În zona centrală a absidei, sub pavimentul altarului, se află o criptă martirică monumenta...lă, complet îngropată, care adăpostește un grup de patru martiri la partea superioară a martirionului - Zotikos, Attalos, Camasis și Philippos, respectiv doi martiri la nivelul inferior, care provin dintr-un mormânt martiric mai vechi. Martirionul de la Niculițel este un monument unic în Europa. Edificiul de protecție creează un spațiu interior elegant, aerat și plăcut. Galeria perimetrală destinată fluxului de vizitare asigură un permanent contact vizual cu monumentul, iar expoziția permanentă de obiecte paleocreștine, fotografii color și diapozitive completează muzeal vizitarea întregului ansamblu paleocreștin. Descoperirea monumentului s-a datorat unor ploi torențiale care, în primăvara anului 1971, au provocat apariția unei porțiuni din cupola criptei. Fiind amplasat în pantă, într-o zonă locuită și la intersecția unor căi de acces, monumentul a necesitat o cercetare îndelungată, care s-a desfășurat în etape: 1971, 1975, 1985, 1994.