Colecţiile de arheologie s-au constituit prin campaniile de săpături arheologice întreprinse de specialiştii muzeului sub coordonarea unor instituţii şi a unor reputaţi arheologi români.

De remarcat săpăturile din tell-urile neolitice sălcuţo-gumelniţene din Slatina, Brebeni şi Drăgăneşti-Olt, din aşezarea Verbicioara de la Doneşti (Vultureşti), din dava de la Sprâncenata, din castrul şi aşezarea civilă de la Acidava (Enoşeşti-Piatra Olt), de la Chilia (dacii liberi), sau din aşezarea de la Ipoteşti, care au dat la iveală mărturii inestimabile.

În cadrul lor un loc distinct îl ocupă piesele încadrate în cultura Vădastra (neolitic mijlociu), descoperite atât în aşezarea eponimă din sudul judeţului Olt, dar şi în aşezarea din cartierul Crişan II-Slatina, multe cu titlu de unicat sau raritate. Colecţiile de arheologie atestă o continuitate de locuire şi civilizaţie neîntreruptă pe Valea Oltului Inferior prin piese care susţin cultura materială şi spirituală preistorică sau veche: ceramică, unelte, creaţie plastică-statuete antropomorfe şi zoomorfe; altele atestă civilizaţia geto-dacă, civilizaţia romană din zona limes-ului alutan si transalutan, continuitatea de locuire din epoca migraţiilor (două culturi ale acestei perioade sunt descoperite în Olt: cultura Chilia şi cultura Ipoteşti lângă Slatina-Cândeşti-Ciurelu), precum şi menţinerea legăturilor ci Imperiul Bizantin (tezaurul de monede bizantine din argint, din secolul al VII-lea, fibule digitate şi opaiţe de traduiţie bizantină).

Evul mediu este reflectat de o serie de mărturii care ilustrează legăturile unor domnitori cu judeţul Olt: Vlad Vintilă, Mihai Viteazul, Matei Basarab şi Constantin Brâncoveanu, arme, carte veche, podoabe, numismatică- monede sau tezaure monetare ce confirmă o susţinută activitate comercială într-un important loc de vamă ca Slatina, menţionată ca atare în documentul de atestare din 20 ianuarie 1368.

Epoca modernă şi contemporană cuprinde colecţii de documente, arme, presă, fotografii de epoca, artă decorativă şi evidenţiază rolul aşezării urbane în procese de înnoire şi afirmare naţională.