Esta sección del Museo consta de ocho salas distribuidas en dos plantas y expone objetos correspondientes a la Prehistoria (Paleolítico, Neolítico, Edad del Bronce y Edad del Hierro), la Edad Antigua (épocas celtibérica, romana, tardorromana y paleocristiana) y los inicios de la Edad Media (época visigótica). Proceden de los yacimientos de Atapuerca (Paleolítico y Neolítico); Ojo Guareña (Neolítico); las necrópolis de Villanueva de Teba y Miraveche (edades de los Metales); Clunia, Sasamón, Baños de Valdearados, Hornillos del Camino y Cabriana (épocas romana y tardorromana); y Quintanilla de las Viñas (época visigótica), entre otros. Son destacables los conjuntos paleolíticos de la sierra de Atapuerca, con fósiles humanos clasificados como preneanderthales, los ajuares dolménicos de la zona de Sedano, los materiales de la ciudad romana de Clunia o los sarcófagos paleocristianos de la Bureba.
