L'Arqueologia es presenta en un discurs distribuït en dues sales: la Sala de Síntesi i la Sala d'Enterraments.
La Sala de Síntesi
Aporta, seguint un ordre cronològic, la informació general sobre el desenvolupament de la prehistòria i la protohistòria al territori del Montsià i el tram final de l'Ebre. El muntatge expositiu i les diferents vitrines presenten les restes arqueològiques representatives de cada període, per reflectir-ne els trets tecnològics i culturals més rellevants:
Del paleolític, destaquen les restes d'indústries de sílex que asseguren la presència de grups humans en llocs com la Terrassa de Palau o el Pla d'Empúries, a la vora del riu Ebre en el terme d'Amposta; en el Clot de l'Hospital dins del Ports, a Roquetes; o representacions artístiques com la pintura d'un bou a la Cova de la Moleta de Cartagena, a la serra de Montsià, en el terme de Sant Carles de la Ràpita.
Durant el neolític es constata, a partir del testimoni arqueològic, un important poblament a la zona de l'Ebre, amb l'existència de jaciments com els poblats a l'aire lliure del barranc de Fabra i la Clota del Masdenvergenc, a Amposta; la cova del Vidre al massís dels Ports, així com els abrics de la serra de la Pietat (a Ulldecona i Freginals), on s'han localitzat mostres excepcionals de l'art pictòric llevantí.
L'ibèric és, a les Terres de l'Ebre, un dels períodes que es manifesta amb un dels llegats més rics de l'antiguitat. A la zona habitava la tribu dels ilercavons, que s'estructurava en comunitats jerarquitzades amb diferents classes socials. Vivien en poblats amb un plantejament urbanístic definit, enturonats, fortificats i situats a la vora de les vies de comunicació, des d'on explotaven el territori circumdant. En el Museu es reuneixen les restes procedents de nombrosos poblats: la Ferradura i el Castell d'Ullldecona, la Moleta del Remei d'Alcanar, o l'Antic i el Castell d'Amposta, entre d'altres.
Finalment, s'exposen peces arqueològiques representatives del temps romà, quan el territori s'estructura a partir del nucli urbà de Tortosa (Municipium Dertosense) i de les explotacions agràries, com la Carrova (Amposta) o el Racó de Mussol (l'Aldea). La producció d'oli, vi i altres produccions, com la ceràmica, són objecte d'un comerç d'importació i exportació a escala mediterrània.
Del període calcolític, s'exposen els vasos campaniformes localitzats a la cova del Calvari (Amposta), objectes d'ornament com els botons d'os i eines que anuncien el treball del coure, a més d'altres mostres ceràmiques, com les procedents del tossal Redó (l'Aldea).
La sala d'enterraments.
Exposa els principals testimonis materials d'unes creences religioses i d'un ritual elaborat al voltant de la mort i de la vida en el més enllà. En ella es representa l'evolució dels sistemes, pràctiques i costums funeraris a partir de la reproducció d'enterraments de cada etapa:
Des del neolític, hi ha reconegut un espai col·lectiu per enterrar els morts, habitualment a l'aire lliure, si bé en el calcolític serà en cova. Durant la prehistòria, el cos del difunt s'inhumava d'acord amb una creença de vida física més enllà de la mort. Del neolític, destaquen els aixovars i materials de les necròpolis del barranc de Fabra, del Masdenvergenc, el Pla d'Empúries, el Molinàs (Amposta), Mas de Benita (l'Aldea), etc. Aquestes necròpolis presenten un nombre i una varietat de formes no trobades en cap altre lloc de l'arc mediterrani proper. Del calcolític, les restes exposades procedeixen de la cova sepulcral del Calvari (Amposta).
En l'època ibèrica el cos és cremat, essent l'ànima el que perviu. El difunt s'acompanya d'un ric aixovar compost principalment per objectes d'ús personal, indicadors de sexe i edat amb un valor magicoreligiós, ceràmica i objectes d'estatus. Aquí es reuneixen els materials de les necròpolis de Mas de Mussol (l'Aldea), Mianes (Santa Bàrbara) i l'Oriola (Amposta), que formen el nucli més important de Catalunya i el que ha proporcionat una major informació.