大神庙博物馆（Templo Mayor Museum）是一座考古遗址博物馆，1987年建成开放，主要展示从大神庙遗址挖掘出土的历史文物，目前馆藏数量超过7000件，重要展品包括一座公元前1502年的巨石雕塑、一件重8.5吨的月亮女神 Coyolxauhqui 石雕等。
博物馆共有4层，分为地下1层和地上3层，馆内藏品按照主题分为8个常设展厅进行展示。「0层」共有两个常设展，「历史背景」展厅回顾从1790年首次挖掘至今的考古成果；「历史考古学」展厅介绍西班牙殖民者对墨西哥历史与文化的影响，例如导致阿兹特克帝国覆灭，新建立的「新西班牙帝国」亦改变美洲地区的政治与文化格局。「1层」共有四个常设展，「战争与献祭」重点展示从神庙中出土的祭祀物品，包括乐器、头骨、火盆、殡葬面具等，古代墨西哥人往往通过献祭祈求农作物丰收和战争胜利。「贡品与贸易」的展品包括黑曜石材质的权杖、金质和银质珠宝、刻有浮雕的珊瑚与贝壳，以及特奥蒂瓦坎面具（右图）等。「植物与动物」展厅展示来自墨西哥的特有物种。「农业」展厅介绍与农作物相关的神灵，例如阿兹特克帝国河流之神 Chalchiuhtlicue、农业之神 Chicomecōātl 和雨神 Tlaloc 等。「2层」共有两个常设展厅，「太阳神」展厅的重要展品包括死亡之神 Mictlāntēcutli 雕塑、雕武士（Eagle Warrior）造型的陶雕等。「雨神」展厅的重要展品包括一件雨神 Tlaloc 造型的青色容器，主要用于盛放水源，象征农作物丰收。