Il museo espone reperti dal 500.000 a.C. sino al basso Medioevo. Vi si ritrovano anche varie ricostruzioni archeologiche tra cui la vasca lustrale di Sedda 'e sos carros di Oliena. Gli oggetti del periodo nuragico, l’età del Bronzo e del Ferro provengono da importanti siti quali Su Tempiesu ad Orune, Sa Sedda ‘e Sos Carros, ad Oliena; la collezione include inoltre la ricostruzione della fonte sacra di Oliena. Il percorso espositivo termina con l’età medievale e gli oggetti provenienti dal Castello della Fava di Posada.

La Sezione Paleontologica occupa la prima sala del Museo. Nelle otto vetrine vengono presentati reperti provenienti dal giacimento paleontologico a vertebrati del Monte Tuttavista (Orosei, NU) e della Grotta Corbeddu (Oliena, NU). Nel primo dei siti il lavoro dei tecnici specializzati della Soprintendenza Archeologica, ha permesso il recupero di un’ingente quantità di reperti (oltre 80.000), di notevole interesse per la varietà delle specie, sono presenti cinque classi di vertebrati fossili. Pesci ossei, Anfibi, Rettili, Uccelli e Mammiferi - distribuiti in un arco di tempo compreso tra il Pliocene superiore e l’Olocene (tra 1,6 milioni di anni e 12 mila anni fa circa). Dalle indagini condotte emerge in particolare che in questa fase della storia geologica e faunistica della Sardegna erano presenti nell’isola specie predatrici come, ad esempio, le lontre e gli uccelli rapaci; i fossili di anfibi e rettili (erpetofauna) si sono rivelati fra i più ricchi d’Italia, sia in termini d’abbondanza dei materiali sia di diversità della fauna (sono stati studiati circa 17.000 resti attribuibili a 14 specie.