Το Σεπτέμβριο του 2003 τα αρχαία της έκθεσης εγκιβωτίσθηκαν με υποδειγματικό τρόπο, προκειμένου να υλοποιηθούν οι εργασίες επανέκθεσης, στο πλαίσιο των οποίων πραγματοποιήθηκε μεγάλο πρόγραμμα επισκευών και επεκτάσεων στο κτήριο, στους εκθεσιακούς, βοηθητικούς και αποθηκευτικούς χώρους. Το μουσείο παρέμεινε κλειστό για ενάμισυ χρόνο και στις 24 Μαρτίου 2004 έγιναν τα εγκαίνια της νέας έκθεσης, η οποία σε γενικές γραμμές ακολούθησε τη φιλοσοφία και τις αρχές της προηγούμενης. Αναμορφώθηκαν η προϊστορική συλλογή, η συλλογή χαλκίνων και η συλλογή της μεγάλης πηλοπλαστικής, ενώ δημιουργήθηκε μία νέα αίθουσα για το εργαστήριο του Φειδία. Διευρύνθηκε η αίθουσα του Ερμή, προκειμένου να «αναπνεύσει? το άγαλμα, το οποίο εκτίθεται με νέα πρωτοποριακή αντισεισμική προστασία, εκτέθηκαν με νέο τρόπο τα ελληνιστικά ευρήματα, καθώς και η συλλογή ρωμαϊκών αγαλμάτων, ενώ στην τελευταία αίθουσα του μουσείου, όπου στην παλαιότερη έκθεση βρισκόταν η συλλογή για τους Ολυμπιακούς Αγώνες, δημιουργήθηκε εξ ολοκλήρου νέα έκθεση με ευρήματα που αφορούν στο τέλος της ζωής του ιερού. Η παλιά χαλκοθήκη (αποθήκη) στην ανατολική πτέρυγα διαμορφώθηκε σε αναψυκτήριο, και στα παλαιά γραφεία της Ζ΄ Εφορείας Προϊστορικών και Κλασικών Αρχαιοτήτων, που ήταν επίσης στην ανατολική πτέρυγα, έγιναν επισκευές και διαμορφώσεις προκειμένου να μεταφερθεί εκεί η χαλκοθήκη. Σε όλες τις αίθουσες τοποθετήθηκαν νέες μοντέρνες προθήκες με νέο τεχνητό φωτισμό και το μουσείο εφοδιάσθηκε με σύστημα κλιματισμού-εξαερισμού. Διαμορφώσεις πραγματοποιήθηκαν και στον περιβάλλοντα του μουσείου χώρο και το πωλητήριο μεταφέρθηκε σε ειδικά διαμορφωμένο κτήριο μεταξύ του μουσείου και του αρχαιολογικού χώρου. Το Αρχαιολογικό Μουσείο της Ολυμπίας, από τα σημαντικότερα της Ελλάδας, παρουσιάζει τη μακραίωνη ιστορική εξέλιξη ενός από τα λαμπρότερα ιερά της αρχαιότητας, που ήταν αφιερωμένο στον πατέρα των θεών και των ανθρώπων, τον Δία, και αποτέλεσε την κοιτίδα των Ολυμπιακών Αγώνων. Περιλαμβάνει τη μόνιμη έκθεση ευρημάτων από τις ανασκαφές στον ιερό χώρο της Άλτεως, τα οποία χρονολογούνται από τα προϊστορικά έως και τα πρώτα χριστιανικά χρόνια. Από το σύνολο των, ανεκτίμητης αξίας, εκθεμάτων σημαντικότερη είναι η έκθεση των γλυπτών, για την οποία είναι κυρίως γνωστό το μουσείο, καθώς και η συλλογή χάλκινων αντικειμένων, που είναι η πλουσιότερη στον κόσμο και απαρτίζεται από όπλα, ειδώλια και άλλα αντικείμενα, ενώ ιδιαίτερα σημαντικά είναι και τα ευρήματα της μεγάλης πηλοπλαστικής. Το κτηριακό συγκρότημα του Μουσείου αποτελείται από εκθεσιακούς, βοηθητικούς και αποθηκευτικούς χώρους. Ο εκθεσιακός χώρος περιλαμβάνει τον προθάλαμο και δώδεκα αίθουσες, που όλες φιλοξενούν τη μόνιμη έκθεση ευρημάτων, προερχομένων από την ιερή Άλτι. Οι βοηθητικοί-λειτουργικοί χώροι για την εξυπηρέτηση των επισκεπτών (αναψυκτήριο, χώροι υγιεινής κ.ά.) βρίσκονται στην ανατολική πτέρυγα του Μουσείου, ενώ το πωλητήριο λειτουργεί σε ξεχωριστό οικοδόμημα, ανάμεσα στο μουσείο και στον αρχαιολογικό χώρο. Το Μουσείο διαθέτει αποθηκευτικούς χώρους, που καταλαμβάνουν τμήμα της ανατολικής πτέρυγας και του υπογείου, καθώς και εργαστήρια συντήρησης πήλινων, χάλκινων, λίθινων αντικειμένων, ψηφιδωτών και μικροευρημάτων. Το Αρχαιολογικό Μουσείο Ολυμπίας, που εποπτεύεται από τη Ζ΄ Εφορεία Προϊστορικών και Κλασικών Αρχαιοτήτων, αποτελεί ένα ζωντανό οργανισμό, ο οποίος, ιδιαίτερα μετά την αναμόρφωσή του το 2004, με την ευκαιρία των Ολυμπιακών Αγώνων της Αθήνας, φιλοδοξεί να παρουσιάσει στον επισκέπτη τη μακραίωνη ιστορία του ιερού, σύμφωνα με τις νέες μουσειολογικές αντιλήψεις.