Στο εργαστήριο συντήρησης πέτρας που λειτουργεί από το 1994 συντηρούνται γλυπτά και αρχιτεκτονικά μέλη, τα οποία είναι κυρίως από μάρμαρο, τα οποία προέρχονται από ανασκαφές στη Θεσσαλονίκη και την ευρύτερη περιοχή της. Στον χώρο του έχουν συντηρηθεί τα περισσότερα γλυπτά της μόνιμης έκθεσης του Μουσείου. Σταδιακά από την έναρξη λειτουργίας του, το εργαστήριο ενισχύθηκε με υλικοτεχνικό εξοπλισμό και εξειδικευμένο προσωπικό. Για όλα τα αντικείμενα που συντηρούνται γίνεται καταγραφή, τεκμηρίωση και φωτογράφηση. Αφού ολοκληρωθούν όλα τα στάδια συντήρησης του γλυπτού συντάσσεται δελτίο, το οποίο διατηρείται σε αρχείο.

Μετά την ολοκλήρωση των μόνιμων εκθέσεων του μουσείου, στο εργαστήριο συντηρούνται γλυπτά που προορίζονται για τις περιοδικές εκθέσεις του μουσείου.

Επίσης η συντήρηση γλυπτών αποτέλεσε αντικείμενο συνεργασίας με φορείς όπως η Εφορεία Αρχαιοτήτων Πόλης Θεσσαλονίκης (πρώην 9η Εφορεία Βυζαντινών Αρχαιοτήτων), η Εφορεία Αρχαιοτήτων Καβάλας (πρώην 12η Εφορεία Βυζαντινών Αρχαιοτήτων) και το Τελλόγλειο Ίδρυμα Τεχνών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης.

Στα καθήκοντα των εργαζομένων του εργαστηρίου, εκτός της συντήρησης, περιλαμβάνονται ο έλεγχος της κατάστασης διατήρησης των γλυπτών της μόνιμης έκθεσης, η φροντίδα για την ασφαλή αποθήκευση της συλλογής γλυπτών του Μουσείου καθώς και η προληπτική συντήρησή της. Επιπλέον ο έλεγχος των γλυπτών που αποστέλλονται ως δάνεια σε άλλες εκθέσεις καθώς και η σύνταξη των δελτίων κατάστασης διατήρησης (condition reports) που τα συνοδεύουν.

Το εργαστήριο συμμετέχει στις ξεναγήσεις και στις εκπαιδευτικές επισκέψεις που πραγματοποιούνται στα εργαστήρια συντήρησης καθώς και σε άλλες δράσεις του μουσείου. Τελειόφοιτοι σχολών συντήρησης αρχαιοτήτων της Ελλάδας και του εξωτερικού πραγματοποιούν πρακτική άσκηση στο εργαστήριο συμβάλλοντας στο έργο του αλλά και αποκομίζοντας σημαντική γνώση της διαχείρισης του αρχαιολογικού υλικού σε ένα μουσειακό ίδρυμα.