Régulièrement enrichie de dons, de legs ou encore de prêts, la collection archéologique du musée est majoritairement constituée de pièces locales et régionales, issues des fouilles conduites par le musée lui-même ou plus récemment par le Centre national de recherche archéologique depuis 2011.
De la Préhistoire au Moyen Âge, en passant par les Âges du Bronze et du Fer et l'Époque gallo-romaine, c'est ce patrimoine unique et singulier, témoin de l'activité humaine sur le territoire luxembourgeois, qui se déploie au fil d'un parcours à la fois chronologique et thématique, sur les cinq étages qui lui sont consacrés. Une fabuleuse odyssée à travers les âges, voyage fascinant à destination du grand public.