В отдел "Археология" се съхраняват експонати от периода на VI-то хилядолетие преди Христа до края на Втората българска държава. Те дават възможност да се проследи материалната и духовна култура на населението от региона. Групирани са в следните колекции:
Праисторически оръдия на труда от камък, кремък и рог, включващи каменни брадви, чукове и тесли, кремъчни стъргалки, мотички и шила от еленов рог. Антропоморфна и зооморфна идолна пластика от глина.
Голяма е колекцията от глинени съдове, разнообразна по форма и предназначение - праисторически, елинистически, римски, ранновизантийски и средновековни. Изкуството е представено с колекция от произведения на каменната пластика от които по-характерни са: Торсо на бог Асклепий, статуарна група на бог Дионис и свитата му, надписи, оброчни плочки и колекция от бронзова пластика в която се откроява статуйка на бог Хермес.
Метални оръдия на труда от епохата на античността и средновековието. Колекция от многобройни разнообразни костени предмети, открити при разкопки на Сливенската крепост Туида, които са доказателство за развитото тук костопроизводство. Богата нумизматична колекция от елинистически, римски, византийски, средновековни и османски монети. Значителен е броят на печатите от които най-ценен е молидовулът на княз Борис I. Колекция от антични и средновековни накити.
В отдела работят 3 специалисти: уредници-археолози.
Организират и участват в археологически разкопки, теренни проучвания, научни конференции, научни четения, кръгли маси и др. научни прояви. Извършват научни публикации в специализирани издания, ИМЮИБ, сп."Археология", в самостоятелни издания на музея.