La sezione è articolata in sei sale distribuite al piano terreno e nel sottoportico del Palazzo Malatestiano: accoglie reperti preistorici, protostorici e romani provenienti dalle collezioni private, dal mercato antiquario, da rinvenimenti casuali e da scavi effettuati sia internamente sia esternamente del perimetro di Fanum Fortunae. Nel sottoportico del palazzo è possibile ammirare il bellissimo Mosaico della Pantera, una pavimentazione a tessere bianche e nere di una domus privata del II secolo d.C. Accanto trovano posto un grande dolium in terracotta per la conservazione degli alimenti e tre esemplari di sarcofagi paleocristiani databili al V-VI secolo d.C.
La prima sala presenta manufatti in pietra del Paleolitico inferiore, materiali che vanno dal Neolitico all'età del Bronzo e del Ferro, frammenti ceramici, strumenti in osso e in bronzo, tra cui si distinguono un notevole cratere attico, una spada bronzea, fibule, pendagli e ciotole.
Nella sala successiva sono raccolti oggetti d'uso domestico di epoca romana quali recipienti vitrei come bottiglie e balsamari e vasellame da mensa in terracotta. Si segnala il celebre “cippo graccano”, un cippo del I sec. a. C. recante un'iscrizione di restitutio di un cippo della commissione agricola graccana. Nella sala dei cippi e delle anfore sono collocati quattro cippi miliari provenienti dalla via Flaminia e dedicati a vari imperatori. Troviamo qui un bassorilievo mitriaco raffigurante una figura virile seminuda con ali, identificata con Chronos, e l'altare marmoreo dedicato a Sol Invictus, una testa di Ercole, la statua di Diana cacciatrice e la triade divina raffigurante Apollo fra la madre Latona e la sorella Artemide.
Nella successiva Sala del Nettuno sono esposti frammenti di trabeazioni e cornici marmoree, resti di pavimentazioni in terracotta, un mosaico a tessere bianche e nere raffigurante Nettuno con il tridente sulla quadriga di cavalli marini e un capitello corinzio.
All'ingresso dell'ultima sala della sezione archeologica si erge la monumentale statua dell'Imperatore Claudio; fra i ritratti femminili spicca quello di una giovane donna dall'elaborata acconciatura, attribuito ad Ottavia, sorella di Augusto. Completa la rassegna l'erma bifronte di giovane satiro e vecchio sileno. Accanto alla statuaria è esposta una raccolta epigrafica che comprende lapidi funerarie ed iscrizioni relative ad opere di pubblica utilità in cui sono citati personaggi, magistrature e corporazioni dell'antica Colonia Iulia Fanestris. .