Der Palazzo Massimo alle Terme dient zusammen mit dem Palazzo Altemps und dem Planetario als Ausstellungsort des Museo Nationale Romano. Dieses besitzt den zweitgrößten Bestand an Altertümern. Zu den herausragenden Exponaten gehören neben griechischen, hellenistischen und römischen Skulpturen, Sarkophage der vor- und nachchristlichen Zeit und Mosaiken auch bedeutende Zeugnisse römischer Wandmalerei.
Wegen der Verletzlichkeit der Fresken, die sehr unter der Feuchtigkeit leiden, sind sie aus Villen diverser Kaiser zum Schutz ins Museum gebracht worden.

Die bedeutendste Wandmalerei stammt aus der Villa der Livia in Prima Porta aus dem letzten vorchristlichen Jahrzehnt. Dargestellt ist ein üppiger Obstgarten auf den vier Wänden eines Saales, der im Museum rekonstruiert wurde. Er ist von einem Mäuerchen und einer Pfahlrohr-Hecke begrenzt und enthält Blumen, Büsche, Seekiefern, Lorbeer, Palmen, Zypressen, Granatapfel- und Quittenbäume, in denen sich Vögel tummeln.
Das ist für die Zeit etwas sehr Neues, denn bis dahin hatten die Maler meist nur Mythologisches oder Genrehaftes geschildert. Eigentliche Landschaften, wie diese, soll dann unter Augustus zuerst ein gewisser Ludius eingeführt haben. Dies schöne Werk gibt uns zugleich eine Vorstellung davon, wie die berühmten Gärten, z.B. von Mäcenas, Sallust oder Lucullus ausgesehen haben mögen, vor allem aber auch wie fruchtbar damals die römische Campagna war. In seiner Frische und Unmittelbarkeit zählt dieses Fresko zu den Meisterwerken der Landschaftsmalerei.

Weiter sind im Thermenmuseum Malereien einer Villa ausgestellt, die auf dem Gebiet der heute >La Farnesina< genannten Villa lag. Sie wurde 1879 bei der Flussregulierung am Tiberufer entdeckt. Es ist nicht sicher, ob diese Villa noch aus den Zeiten Julius Cäsars stammte und in der Kleopatra wohnte oder ob sie augusteisch ist. Die Wandmalereien gehören teilweise dem zweiten pompejanischen Stil an, bei dem sich Säulen und Pfeiler von einem einheitlichen Hintergrund abheben und in ihrer Plastizität der Wand vorgesetzt wirken. Aber auch teilweise dem dritten pompejanischen Stil, der auf den perspektivischen Realismus verzichtet

Außerdem sind weitere Wandmalereien zu sehen, die im Vordergrund aus einer Scheinarchitektur bestehen mit einem Blick in andere Scheinarchitekturen, in Landschaften, auf Theaterszenen oder auf Szenen menschlichen Lebens, vor allem aus dem Kult des Dionysos und der Amphrodite.