Археологическая коллекция является старейшей по времени формирования коллекцией музея. Археологические находки (в том числе материалы раскопок М.Ф. Кустинского, Е.Р. Романова) стали одними из первых поступлений музея при Витебском губернском статистическом комитете. Позже археологическое собрание пополнилось предметами из частных коллекций В. Федоровича, А. Бродовского и др.
В годы Великой отечественной (II мировой) войны лишь небольшая часть археологической коллекции была эвакуирована сотрудниками музея в Саратов. Большую же ее часть гитлеровские оккупационные власти вывезли в Ригу для дальнейшей отправки в Германию. После войны в музей были возвращены далеко не все археологические материалы, причем, их паспортизация была утрачена.
На послевоенный период (1950-2000-е гг.) приходятся основные поступления археологических комплексов. Это материалы раскопок археологов Алексеева Л.В., Бубенько Т.С., Колединского Л.В., Ксензова В.П., Левко О.Н., Сергеевой З.М., Ткачева М.А., Штыхова Г.В., а также некоторые материалы Войтеховича А.В., Дучиц Л.В., Зайковского Э.М., Тихоненкова и др.
В настоящее время коллекция археологии насчитывает около 30 тыс. единиц хранения основного и научно-вспомогательных фондов. Хронологически в ней представлены материалы от эпохи мезолита до периода позднего средневековья. Прежде всего, это материалы разведок и раскопок археологических памятников – стоянок, селищ, поселений, городищ и городов, располагавшихся в границах бывшей Витебской губернии и современной Витебской области. Самые древние предметы из камня – материалы раскопок мезолитических стоянок Подвинья и Верхнего Поднепровья (10,8–8 лет назад), впервые открытых и исследованных белорусским археологом Ксензовым В.П.
Период бронзового и железного веков представлен в коллекции материалами разведок и раскопок 50-80-х гг. XX в. городищ и селищ, относящихся к северобелорусской, штрихованной керамики, днепро-двинской, банцеровской археологическим культурам. Встречаются материалы культуры текстильной керамики, а также материалы культуры длинных курганов. Средневековье представлено богатейшей коллекцией материалов раскопок городов и курганов Полоцкой земли. Среди них особо выделяются материалы раскопок 1950-60-х гг. археолога Л.В. Алексеева (т.н. «Друцкая подколлекция») и археологов Г.В. Штыхова, О.Н. Левко, Л.В. Колединского, М.А. Ткачева, Т.С. Бубенько (т.н. «Витебская подколлекция»). Среди индивидуальных находок в коллекции археологии выделяются бронзовая умбоновидная подвеска 5-4 вв. до н.э. с городища Бороники, меч X в. (тип «Н»), булава XII в. (тип IV), коллекция зооморфных коньковых привесок, костяная нательная иконка с изображением евангелиста Матфея (XIII в.) и др.