В експозиції Археологічного музею представлено більше 7 000 оригінальних експонатів, здобутих експедиціями Інституту археології НАН України та поданих за культурнохронологічним принципом.

У залі «Первісна археологія» представлені матеріали кам’яного віку (палеоліт, мезоліт, неоліт), енеоліту та епохи бронзи (від 900 тис. років тому назад до початку І тис. до н.е.). Тут демонструються матеріали однієї з найдавніших стоянок Європи — Королево, середньопалеолітичних пам’яток Криму, Донбасу, Середнього Подністров’я, верхньопалеолітичних поселень мисливців на мамонтів з залишками кістково-земляних жител, найдавніші мистецькі вироби.
Матеріали мезолітичної епохи дають уяву про нові традиції в каменеобробному виробництві, розвиток рибальства та про появу перших колективних могильників.
За доби неоліту відбувається перехід до відтворюючих форм господарства (землеробство, скотарство), з’являється гончарство, ткацтво, удосконалюється техніка обробки каменю. У вітринах — матеріали з поселень та могильників дніпро-донецької культурної спільноти, ямковогребінцевої та бугодністровської культур, з Кам’яної Могили.
Значна частина експозиції відведена матеріалам племен трипільської культури (VIII тис. до н.е.) — найбільшої спільноти ранніх землеробів та скотарів на теренах України. Саме в їхньому середовищі з’являються так звані поселеннягіганти, відбувається освоєння першого в історії людства металу — міді, найбільшого розквіту набуває гончарство, з’являється двоповерхова архітектура. Значну роль відіграють ткацтво, обробка каменю та кістки, інші ремесла. Демонструються колекції гончарного посуду, антропоморфна та зооморфна пластика, мініатюрні моделі житла та печі, землеробські знаряддя, прикраси, зброя тощо, знайдені на різночасових трипільських поселеннях та могильниках.
В цьому ж розділі представлені матеріали енеолітичних культур, синхронних трипільській: середньостогівської, дереївської, скелянської, квітянської та ін., що ілюструють самобутній розвиток землеробів та скотарів степової зони України. Матеріали представлені гостродонним посудом, пластикою, знаряддями з каменю та кістки, прикрасами, зброєю тощо. Окрім того, демонструються оригінальні монолітні вирізки з енеолітичних поховань із прикрасами та знаряддями праці.
Закінчується експозиція залу матеріалами епохи бронзи. До цього часу відноситься винахід бронзи та широке її застосування, в цей час з’являються групи професійних ремісників, поширюється міжплемінний обмін, виділяється родоплемінна знать. В експозиції матеріали з поселень та курганів ямної, катакомбної, тщинецькокомарівської культурних спільнот та кемиобинської, середньодніпровської, багатоваликової кераміки, білогрудівської, бондарихінської, сабатинівської та інших культур.

Зал «Ранній Залізний вік» присвячено історії населення на території України початку I тис. до н.е. — перших століть нашої ери. Тут можна познайомитись з пам’ятками скіфської (осілих землеробських племен Право- та Лівобережної України та степових кочовиків) та сарматської культур. Представлені матеріали із городищ та курганних поховань: зброя, атрибути кінського спорядження, культові речі, жіночі прикраси.
Друга частина зали відведена археології античних міст та поселень Північного Причорномор’я: Ольвії, Березані, Тіри, ольвійського некрополя та льськогосподарської округи — вироби з мармуру, глиняний посуд, теракоти, прикраси та інструменти, скляні вироби римської доби, тощо. Знахідки розповідають про містобудування та архітектуру, господарство та культуру грецького населення цього регіону.

У залі «Давні слов’яни та Київська Русь» демонструються матеріали з поселень та могильників давньослов’янських та сусідніх з ними племен (зарубинецької, київської, черняхівської, празькокорчакської та інших). Давньоруська частина експозиції знайомить з життям та культурою міст (Київ, Воїнь, Іван, Чучин), сільських поселень (Григорівка) та могильників (Шестовиця), що характеризують житлобудівництво, багатогранність ремесел, духовну культуру, військову справу населення Київської Русі XXIII ст. Тут же представлені матеріали кочівницьких племен, що сусідили з Руссю — торків, печенігів, половців та ін.
Доповнюють експозицію матеріали пізнього середньовіччя (XVXVII ст.). Це, зокрема, побутові та ремісничі вироби населення тогочасного Києва та його округи. Крім того, в розділі представлені речі, знайдені під час розкопок османських містфортець — БілгородДністровського, Очакова та ін. — прикраси, зброя, предмети вжитку тощо.

Три діорами — «Поховання знатного скіфа», «Давньоруське місто Чучин» та «Київ. Місто Володимира», а також макети житла із кісток мамонта, трипільського будинку, житлового кварталу античного міста, житловогосподарських комплексів ранньослов’янських поселень, давньоруського Подолу, виконані на основі наукових розробок та реконструкцій.