Le château, qui domine la vieille ville, est le monument le plus remarquable de Mayenne. La plupart des éléments visibles datent du XIIIe siècle, notamment le logis et le donjon circulaire. L'apparence extérieure est d'ailleurs typique de cette époque du Moyen Âge : une enceinte flanquée de tours qui épouse la forme d'un promontoire rocheux, et une haute-cour confinée sur le sommet de ce promontoire. La Guerre de Cent Ans, les Guerres de religion et les transformations successives ont grandement altéré l'édifice, et celui-ci ne présentait qu'un intérêt modeste avant 1993.
Cette année-là, des travaux de rénovation sont entrepris, et ils permettent de découvrir des arcades en brique de l'époque carolingienne. Cette découverte est majeure, car les édifices militaires carolingiens encore visibles sont extrêmement rares en Europe. D'importantes fouilles sont conduites de 1996 à 2000, puis le château est transformé en musée. Les vestiges carolingiens incluent un mur de courtine ainsi que les restes d'un grand bâtiment à étage et d'une tour carrée. Ces vestiges sont totalement imbriqués dans les constructions postérieures, et lors de l'aménagement du château en musée archéologique, l'architecte a pris soin de rendre visibles toutes les structures successives. Le château est en fait à la fois un musée et un objet d'exposition en lui-même.
Le musée possède en outre d'importantes collections archéologiques, regroupant aussi bien des artefacts découvert dans le château, que dans le reste du département. On peut notamment y voir des monnaies antiques et médiévales, des objets de la vie quotidienne au Moyen Âge (vaisselle, lampes à huile, outils, serrures, armes...), des sarcophages et des objets religieux. Les jeux de société médiévaux, incluant des pièces d'échecs et un tablier de trictrac, figurent parmi les pièces les mieux conservées au monde.