Археологічна колекція музею складається з 30 тисяч одиниць пам’яток від палеоліту до пізнього середньовіччя. Перлиною археологічного зібрання є колекція монументальної кам’яної пластики – 85 одиниць, серед яких: антропоморфні стели III тисячоліття до н.е., скіфські ідоли IV ст. до н.е., тюркські та половецькі кам’яні статуї IХ-ХШ ст. Найунікальнішими з них є Наталіївська стела, Керносівський ідол (вага – 238,5 кг), готська статуя, тюркська кам’яна баба з с. Дмухайлівки Магдалинівського району. Знаряддя праці, кераміка, зброя, прикраси, культові предмети різних часів та культур, знайдені на території краю, дозволяють послідовно і яскраво висвітлити давню історію Степового Подніпров’я.
Сотні пам’яток археології, досліджені І.Є. Забєліним, В.А. Городцовим, О.М. Полем, Д.І. Яворницьким, А.В. Добровольським, В.А. Грінченком, О.В. Бодянським, Б.М. Мозолевським, Д.Я. Телегіним, І.Ф. Ковальовою, Л.П. Єліновою, Л.М. Голубчик, Л.М. Чуриловою та іншими археологами на території колишньої Катеринославської губернії і теперішньої Дніпропетровської області, явили світу цінні свідоцтва життя людини, появи і зникнення культур і народів, які неначе коридором просувалися південними степами, формуючи своєрідність і неповторність місцевої історії та культури.
Палеолітичний кістяний дротик з календарними зображеннями, мікролітичні знаряддя праці доби мезоліту; неолітичні кам’яні сокири з Ігренського півострова; Лобойківський скарб бронзових предметів з ливарними формами ІІ тис. до н.е.; зброя, прикраси, поховальні атрибути кіммерійських, скіфських, сарматських племен; угорські золоті та срібні предмети з с. Коробчино Криничанського району, срібні речі з поховання хозарського воїна; аланська гончарна піч з балки Канцерівка Солонянського району; численні зразки кераміки різних культур і народів; слов’янські пам’ятки; половецька зброя, прикраси, кінське оздоблення, – все це унікальні свідоцтва давньої історії краю.
