Τα ευρήματα που ανακαλύφθηκαν κατά την διάρκεια των ανασκαφών εκτίθενται στο Αρχαιολογικό Μουσείο της Ολυμπίας. Τα δύο αετώματα του Ναού του Δία είναι ένα από τα λαμπρότερα δείγματα της αρχαίας ελληνικής γλυπτικής και μάλιστα από τη εποχή της μέγιστης ακμής της. Το ανατολικό αέτωμα απεικονίζει της προετοιμασία της μυθικής αρματοδρομίας Πέλοπα και Οινομάου, βασιλιά της ομηρικής Πίσας, ενώ στο δυτικό αέτωμα απεικονίζεται το αγαπημένο θέμα της πάλης ανάμεσα στους Κένταυρους και τους Λαπίθες με την εξαίσια μορφή του Απόλλωνα στο μέσο.
Οι μετόπες του ναού παριστάνουν τους 12 Άθλους του Ηρακλή: την προσφορά των Στυμφαλλίδων ορνίθων στην Αθηνά, την προσκομιδή στον Ηρακλή των μήλων των εσπερίδων από τον Άτλαντα κ.α.
Το άγαλμα της Νίκης του Παιωνίου, καθώς κατεβαίνει από τον ουρανό, είναι από τα σπουδαιότερα γλυπτά των κλασσικών χρόνων και ήταν ανάθημα των Μεσσηνίων και Ναυπακτίων του 421 π.Χ.
Άλλα εκθέματα του μουσείου είναι το πήλινο σύμπλεγμα του Δία με τον Γανυμήδη, το κολοσσιαίο κεφάλι που αποδίδεται στο λατρευτικό άγαλμα της Ήρας. Και τέλος το περίφημο άγαλμα του Ερμή, με το νεογέννητο Διόνυσο, πρότυπο έργο του Πραξιτέλη, που εκτίθεται σε ιδιαίτερη αίθουσα του Μουσείου. Ανάμεσα στα αντικείμενα που είχαν προσφερθεί στο Δία από τις πόλεις-κράτη σ’ ένδειξη ευγνωμοσύνης για τις νίκες τους είναι χάλκινα αναθήματα: τριποδικοί λέβητες, πανοπλίες, κράνη ασπίδες, σκεύη.
