Il museo dispone di molti reperti archeologici ritrovati in tutta la Valle d'Aosta che sono disposti secondo l'ordine cronologico.

I reperti preistorici consistono in ornamenti funebri, vetro, vasi di terracotta e stele antropomorfe scolpite. Questa collezione sarà ospitata, in futuro, nel museo che sorgerà sull'area megalitica di Saint-Martin-de-Corléans.

Il museo dispone di una vasta gamma di reperti di epoca romana. Ci sono oggetti funebri, oggetti in vetro (piatti, bicchieri...), pezzi di statue, oggetti provenienti dal teatro, posate e giochi comuni. La sala della Collezione Carugo ospita reperti della civiltà etrusca, dell’antico Egitto e della Mesopotamia. Nel museo c'è anche un plastico della città romana di Augusta Praetoria ricostruita basandosi sui resti degli edifici romani visibili in tutta Aosta.

Nei sotterranei del Museo Archeologico Regionale sono conservati i resti dello spigolo sud-ovest della torre orientale della Porta Principalis Sinistra, una delle quattro porte urbiche di Augusta Prætoria, con i piani d’uso romani e l’unico tratto di terrapieno, con relativo muro di controscarpa, ancora addossato ad un tratto delle mura romane.

Il Museo ospita inoltre la prestigiosa collezione numismatica “Pautasso”, esposizione di monete dall’età greca fino al periodo sabaudo. Importante il nucleo delle monete celtiche, galliche e padane.