Коллекция объединяет материалы, датируемые каменным, бронзовым и железным веками. Приоритетными являются материалы из захоронений и случайные находки.

Началом формирования коллекции можно считать межвоенный период. В это время в музей поступили богатые коллекции, добытые в ходе исследований А. Левданского, К. Поликарповича, И.Сербова и др. Однако большая часть коллекции была утеряна во времена Второй мировой войны. В послевоенное время она количественно и качественно выросла. Первая запись в книге поступлений основного фонда музея, относящаяся к коллекции, принадлежит каменному топору времен неолита – начала бронзового века (найдена в сентябре 1957 во время прокладки осушительного канала около д. Дублин Брагинского района Гомельской области).

Особенно интенсивно пополнение коллекции происходило в 1970–1980-е гг. Она росла в основном за счет передач материалов исследований Института истории Академии наук БССР. С конца 1990-х гг. Национальный исторический музей ежегодно устраивает собственные экспедиции.

Коллекция представлена памятниками каменного века (позднепалеолитические памятники: поселения позднего палеолита, случайные находки, астеологические находки), памятниками финального палеолита и мезолита, неолитическими памятниками (неманская культура, днепро-донецкая и верхнеднепровская культура, красносельские шахты, случайные находки), памятниками бронзового и железного века (культура штрихованной керамики, днепро-двинская культура, милоградская и зарубинецкая культура, поморская и вельбарская культура, киевская культура).