Nel museo sono stati sistemati reperti romani e preromani provenienti prevalentemente dalla vicina area archeologica di Lagole, sito che è caratterizzato per essere uno dei più importanti depositi di ex voto di tutto il Veneto. I reperti furono rinvenuti soprattutto nel secondo dopoguerra e hanno consentito di ricostruire ampi periodi di preistoria e storia antica. I ritrovamenti, che complessivamente ammontano ad un migliaio di oggetti e frammenti (non tutti esposti nelle salette del Museo), sono avvenuti nella massima parte , nell'area centrale del Cadore, tra Calalzo, Domegge e Valle. Gran parte di essi rappresentano la straordinaria documentazione dell'esistenza di un'antico culto, frequentato nell'arco di quasi un millennio da Veneti, Celti e Romani, legato alle acque sananti delle sorgenti naturali che sorgono ancor oggi a Lagole.

Dalla zona di Valle provengono numerosi oggetti votivi preromani e romani ; da Domegge proviene un significativo elmo appartenente alla civiltà venetica della prima età del ferro (450.300 a.C.). Di particolare interesse il mosaico appartenente alla villa patrizia di Pieve di Cadore, posto all'ingresso del Palazzo della Magnifica, con decorazioni in bianco e nero, mentre sopra il mosaico è esposta la lapide di Valle che ricorda un'antica donazione.