Enrichies régulièrement grâce aux fouilles régionales, les collections archéologiques sont regroupées au sous-sol : la cave du couvent est consacrée à la préhistoire, la protohistoire et la période mérovingienne, la salle voisine à la période romaine. Les collections offrent un aperçu à peu près complet des différentes étapes de l'évolution de l'Homme, à travers d'innombrables objets de la vie domestique ou de contextes funéraires, découverts pour la plupart dans la moitié nord du Haut-Rhin.

Le Néolithique, véritable révolution marquée par les débuts de l'agriculture et de la sédentarisation, constitue une étape capitale dans l'histoire de l'humanité. Cette période est caractérisée par sa céramique rubanée, destinée au stockage et à la cuisson. Les anneaux-disques de la tombe d'Herrlisheim, objets funéraires de prestige, constituent les pièces marquantes de la fin de cette phase.

Pour l'âge du Bronze, la région colmarienne est intégrée à la Civilisation des Tumulus qui couvre toute l'Europe moyenne. La nécropole d'Appenwihr offre un choix d'objets significatifs du Bronze moyen régional (jambières à spirales, épingles, colliers de perles d'ambre).

Le Premier âge du Fer est bien connu grâce aux nombreux tumulus régionaux, qui ont livré quantité d’armes et de parures en bronze, fer, verre, corail ou or. Parmi les pièces remarquables : une pyxide en bronze, un poignard en fer et surtout les bijoux en or d’une sépulture princière.

La période gallo-romaine est illustrée, par de la céramique sigillée, un choix de statuettes de divinités, la mosaïque de Bergheim et des objets provenant de l'agglomération antique de Horbourg.

L'époque mérovingienne n'est connue qu'à travers des nécropoles, qui ont livré des pièces rarissimes, notamment une pyxide en or, pièce unique et des éléments damasquinés de harnachement de chevaux.