La collection archéologique du musée est réputée comme étant la plus riche et la plus diversifiée des Petites Antilles. Plus de 1 000 pièces représentant le patrimoine archéologique précolombien de la Martinique, ont été retrouvées dans des sites majeurs comme Vivé et Fonds brûlé, au Lorrain ; Dizac au Diamant ; Paquemar et Macabou au Vauclin ; Anse Belleville au Prêcheur. Il s'agit de la collection propre du Conseil Général, de dons et dépôts de l'Etat et de particuliers.

Les types d'objets sont variés. On retrouve des vases (utilitaires et rituels), des adornos (petites figurines anthropomorphes, zoomorphes ou anthropo-zoomorphes qui décoraient les anses des vases), de l'outillage (trois types de matériaux utilisés : pierre, os, coquillage).