Зал археологии знакомит с историей исследования археологических памятников и характеристиками археологических культур Амурской области. В настоящее время на территории Приамурья открыто более 3000 памятников археологии (древние стоянки, стойбища, городища, могильники), которые позволяют проследить хронологию и взаимное влияние археологических культур от палеолита до позднего средневековья.
В экспозиции можно увидеть железный топор, костяную мотыгу, керамические грузила, дольчатые сосуды, изготовленные на гончарном круге, наконечники копий и стрел (в том числе, так называемую «поющую стрелу»), разнообразные украшения из бронзы, а также ювелирные изделия из камня и стекла (серьги, наборные бусы) и другие предметы.
Центральное место в зале археологии занимает макет жилища мохэ – крупнейшего этнокультурного объединения средневековой Восточной Азии, которое стало основой формирования практически всех тунгусоязычных народов мира.
Экспозиция зала дополнена выставкой «Рассказы археолога», оформленной в честь выдающегося археолога, уроженца Амурской области Анатолия Пантелеевича Деревянко.