Il museo raccoglie essenzialmente reperti risalenti ai periodi preistorico e messapico.

Tra i reperti più interessanti, provenienti dagli ultimi scavi o scoperti casualmente, vi sono ceramiche e oggetti di ornamento, selci, utensili di pietra, a partire dal Paleolitico fino all'età dei metalli.

Un altro reperto molto interessante scoperto nel territorio ostunese è lo scheletro di Ostuni, una donna morta di parto. Dalle analisi, si è scoperto che la sua età si aggirava attorno ai 20 anni, e aveva al suo interno i resti di un feto ad uno stadio di sviluppo avanzato.

Il corredo funebre comprende oltre a bracciali di conchiglie forate ai polsi (quello destro composto da sei Cyclope neritea, sei Hinia mutabilis, una Cyprea lurida, una Trivia ed un canino di cervo forato), un copricapo costituito da circa seicento conchiglie di Cyclope neritea impastate di ocra rossa, strumenti litici e resti di fauna.

Ad epoca messapica risalgono reperti costituiti da corredi funerari di tombe con brocche e vasi vari, tra cui una trozzella a decorazione geometrica, monete, terrecotte votive (scoperte anche nei territori dei comuni limitrofi).

Inoltre, sono presentate le ricerche topografiche condotte in numerosi siti neolitici della costa adriatica che hanno restituito testimonianze significative. A Fontanelle, in particolare, oltre a numerosi resti di cereali contenuti in grumi di intonaco di capanna, sono state rinvenute ceramiche impresse arcaiche ed un'industria litica laminare di ridotte dimensioni, con perforatori e geometrici.