در شبستان شمال شرقی این مسجد موزه باستانشناسی در مساحت حدود ۲۲۰ متر مربع دایر شده است. مسجد جامع خود از جمله آثار دیدنی شهر گناباد و ثبت شده در فهرست آثار ملی است.
فضای داخلی موزه باستانشناسی به صورت ستوندار با جرزهای بسیار مستحکم و قوی و طاق‌های متعدد به طول ۱۷ و عرض ۷/۱۱ متر دارای محرابی با تزئینات گچبری متعلق به دوره قاجار است.
در موزه باستانشناسی گناباد محراب تاریخی وجود دارد که طی کاوش و پیگیری‌های باستانشناسی نمایان و به نمایش گذاشته شده است.
این محراب نیز دارای تزیینات گچبری و کتیبه بسیار زیبا و متعلق به دوره ایلخانی است.
برخی از آثار به نمایش درآمده این موزه:
- وقف نامه و فرمان نامه دوره قاجار
- سکه هایی از قرن اول تا دوران قاجار
- اشیا اهدایی مردم گناباد
- ظروف و اشیا فلزی و سفالی
- کتیبه‌های آجری مدرسه نجومیه و چندین اثر مهم دیگر
- برگه‌هایی از قرآن کریم به خط کوفی مربوط به قرن ۳ تا ۵ هجری، برخی از این اوراق روی پوست آهو نوشته شده‌اند
- نسخ خطی قرآن مربوط به دوره تیموری و قاجاریه
- نسخ معارف اسلامی از مشاهیری چون کلینی و علامه مجلسی
