З моменту створення відділу одним із пріоритетних напрямків науково-дослідницької роботи було вивчення палеоліту. Біля витоків музею стояли І.Г.Шовкопляс, С.В.Смирнов, В.М.Гладилін – яскраві та самобутні представники української школи палеолітознавства, учні акад. П.П.Єфименка, чл.-кор. С.М.Бібкова, д.і.н. М.Я.Рудинського. В наш час наукова проблематика колективу зосереджена на актуальних проблемах палеоліту (Л.В.Кулаковська, В.І.Усик, О.М.Кононенко, О.В.Вотякова, П.М.Васильєв), енеоліту (Є.В.Пічкур), добі бронзи (Корохіна А.В.) зокрема, питаннях технології кам’яного та гончарного виробництва.

Пріоритетним напрямком науково–дослідницької роботи у відділі з самого початку була палеолітична проблематика. В наш час традиційно продовжуються палеолітичні дослідження на заході України: вивчення хронології, реконструкція довкілля, технологічні аспекти первісного виробництва, варіабельність та своєрідність палеолітичних індустрій. Простежено становлення та розвиток найдавніших культурних традицій та розроблено принципово нову схему культурно–хронологічного розвитку первісних спільнот в Карпатському регіоні.

Експозиційно–фондова робота проводиться в кількох напрямках: облік та зберігання колекцій, систематизація та інтерпретація наукових джерел, перманентна реорганізація постійної експозиції, організація тематичних виставок та численних популяризаторських заходів. Також наукова тематика відділу сконцентрована на експозиційно-фондовій роботі: створення наукових засад експозиції музею, зокрема, систематизація та інтерпретація наукових джерел.

Колектив веде активну міжнародну діяльність, що знаходить відображення у втіленні спільних проектів з археологічними установами Франції, Німеччини, Бельгії, Великої Британії тощо.