Rozkwit Działu Starszej i Środkowej Epoki Kamienia przypadł na lata 50. XX w., choć historia związana z gromadzeniem zabytków z epoki kamienia sięga lat 30. XX w. Pierwszy zabytek wprowadzono do inwentarza w 1931 r. Część artefaktów datowana jest między 12 000 a 5000 lat, choć nie brakuje także starszych znalezisk, takich jak kości mamutów włochatych czy narzędzi krzemiennych z okresu środkowego paleolitu (ok. 200 000–40 000 lat).
Opiekę nad Działem sprawowało zaledwie kilka osób. W 1945 r. pracę w Dziale rozpoczęła Maria Chmielewska (z domu Rutkowska). W tym samym czasie pełniła funkcję konsultantki w Zakładzie Archeologii Polski Środkowej Instytutu Historii Kultury Materialnej (obecnie Instytut Archeologii i Etnologii) Polskiej Akademii Nauk w Łodzi. W 1948 r., jeszcze jako student, do Działu dołączył Waldemar Chmielewski, mąż Marii Chmielewskiej. Do połowy lat 60. XX w. małżeństwo archeologów było odpowiedzialne za rozwój Działu. Dzięki nim Muzeum wzbogaciło swoje zbiory o najstarsze zabytki m.in. ze stanowisk takich jak: Skaratki, Witów, Cichmiana czy Katarzynów. W 1965 r. pracę w Dziale rozpoczęła Ewa Niesiołowska-Śreniowska, która interesowała się mezolitem i neolitem. Prace terenowe prowadziła m.in. na stanowiskach w Osjakowie, Mokraczu, Cieszanowicach oraz Aleksandrowie Łódzkim.
W latach 1973–1997 w Dziale zatrudniony był także Krzysztof Cyrek. Zainicjował on badania nad schyłkowym paleolitem Zakola Załęczańskiego oraz stanowisk jaskiniowych na południu Polski. Jemu Muzeum zawdzięcza bogatą kolekcję zabytków m.in. z Tronin, Bobrownik czy Łykowego. Krzysztofa Cyrka w 2006 r. zastąpił Dominik Kacper Płaza, zajmujący się tematyką późnego mezolitu. W 2012 r., po przejściu Ewy Niesiołowskiej-Śreniowskiej na emeryturę, pozostał jedynym pracownikiem Działu do 2018 r. W latach 2018–2020 pieczę nad zbiorami sprawował Kamil Serwatka, zainteresowany w głównej mierze paleolitem.
W latach 2020–2023 tymczasową opiekę nad Działem pełnił Piotr Papiernik. Od 2023 r. w Dziale zatrudniona jest Beata Sobko, której zainteresowania archeologiczne koncentrują się wokół dolnego i środkowego paleolitu. Jej działania obecnie skupiają się na analizach technologicznych zabytków krzemiennych z epoki kamienia, gromadzonych w Muzeum od lat 30. XX w.
Dział Młodszej Epoki Kamienia zajmuje się badaniami społeczeństw, które na terenie ziem polskich wprowadziły, a następnie upowszechniły rolnictwo. W przybliżeniu jest to okres od około 5200 do 2300 lat p.n.e. Problematykę zainteresowań Działu w znacznej mierze ukształtowała działalność prof. dr. hab. Konrada Jażdżewskiego, wieloletniego dyrektora Muzeum. Prace kontynuowali jego uczniowie i następcy. Wśród nich szczególną rolę odegrał prof. dr hab. Ryszard Grygiel, który w rejonie Brześcia Kujawskiego i Osłonek zbadał szereg osad i cmentarzysk ludności kultury ceramiki wstęgowej rytej i kultury lendzielskiej.
Równie istotne wyniki przyniosły prace Działu dla poznania rozwoju społeczności kultury pucharów lejkowatych, które upowszechniły rolnictwo na terenach Europy Środkowej. Zainteresowanie tą problematyką rozpoczął prof. dr hab. Konrad Jażdżewski, badając w okresie międzywojennym m.in. grobowce megalityczne. Badania pod kierownictwem Profesora były kontynuowane w 2. połowie XX w., kiedy rozpoznano m.in. cmentarzyska w Sarnowie i Wietrzychowicach. Wśród wielu osób zaangażowanych w te badania należy wymienić przede wszystkim dr Marię i prof. dr hab. Waldemara Chmielewskich, dr Lidię Gabałównę oraz dr. Henryka Wiklaka, którzy przyczynili się do rozwoju metodyki badań grobowców kujawskich oraz przeprowadzili szereg prac zmierzających do rozpoznania osad kultury pucharów lejkowatych.
Do powyższych osiągnięć nawiązuje również rozpoczęty w 2009 r. pod kierunkiem dr. Piotra Papiernika interdyscyplinarny projekt zmierzający do rozpoznania źródeł archeologicznych z epoki kamienia i przemian środowiska geograficznego w rejonie Parku Kulturowego Wietrzychowice, a także badania wykopaliskowe w rejonie Sarnowa, prowadzone od 2020 r. przez mgr Joannę Wichę.
Problematyka kultury pucharów lejkowatych dominuje w pracach Działu od 2. połowy XX w. Należy tu wymienić odkrycia dokonane przez dr. hab. Andrzeja Pelisiaka w dorzeczu Grabi, dr hab. Małgorzatę Rybicką i dr. Piotra Papiernika na terenie Pojezierza Gostynińskiego oraz dr. Piotra Papiernika w Redczu Krukowym.
W początkach XXI w., ważnych odkryć dotyczących różnych społeczności neolitycznych, dokonano na terenie autostrady A-1 w okolicach Włocławka, gdzie zbadano m.in. wielokulturowe kompleksy osadnicze w Kruszynie, Ludwinowie i Smólsku.
Dział gromadzi zabytki z epoki brązu (2300–800 p.n.e.) oraz z wczesnej epoki żelaza (800–300/250 p.n.e.). Odkrycia pochodzą z ponad 400 stanowisk archeologicznych z Polski Środkowej oraz innych regionów. Obrazują przemiany kulturowe w okresie upowszechniania się wyrobów metalowych. Najstarsze wytwory z epoki brązu łączą się z okresem powszechnej już znajomości wytwórczości brązowniczej (1900/1800–1200 p.n.e.). Liczne znaleziska pozostałości ówczesnych społeczności przyniosły badania cmentarzysk np. kurhanów w Łubnej oraz osad np. w Lutomiersku-Koziówkach.
Największe zasoby Działu łączą się z następnym okresem (1200–500/400 p.n.e.), związanym z nowymi wierzeniami religijnymi i rozpowszechnieniem ciałopalnego obrządku pogrzebowego w tzw. kulturach pól popielnicowych, chowających skremowanych zmarłych głównie w grobach popielnicowych, na rozległych cmentarzyskach dochodzących do kilkuset a nawet kilku tysięcy pochówków. Wśród licznych nekropolii z tych czasów największe odkryto w Lutomiersku, Mastkach, Dzierzgówku a przede wszystkim w Sierpowie i Madełach z ponad 500 grobami. Istotne są także badania osad (np. w Grabku, Kowalewicach). Wyróżniają się skarby wyrobów z brązu odkryte np. w Kraskach, Strobinie czy Łodzi-Teofilowie świadczące o wysokim poziomie metalurgii. Do najcenniejszych należą depozyty importowanych naczyń brązowych, stanowiących szczytowe osiągnięcie rzemiosła w epoce brązu i wczesnej epoce żelaza (skarby z Kuźnicy Skakawskiej i Borowej).
Najmłodsze znaleziska z wczesnej epoki żelaza (500/400–300/250 p.n.e.) łączą się z istotnymi zmianami kulturowymi i ukształtowaniem nowych społeczności. Zabytki z tych czasów pochodzą z osad, np. w Grabku, Kolonii-Chabielicach oraz z cmentarzysk, np. w Konstantynowie Łódzkim-Ignacewie, ze spektakularnym grobem zbiorowym ponad 30 osób.
Odkryte bardzo liczne zabytki i obiekty archeologiczne pozwalają na odtworzenie wielu aspektów życia codziennego ówczesnych społeczności, jak organizacja przestrzenna osad i cmentarzysk, budownictwo, charakter gospodarki, wierzenia, sztuka, dalekosiężne kontakty handlowe, a także wydarzeń historycznych (np. najazdów plemion scytyjskich).
Dział gromadzi zabytki kultury przeworskiej z okresu pomiędzy II w. p.n.e. a V w. n.e. Pochodzą one z badań wykopaliskowych pracowników Działu na obszarze Polski Środkowej. Prowadzono je na osadach i cmentarzyskach, gdzie pozyskano w dużych ilościach materiał ceramiczny zarówno lepiony ręcznie, jak i toczony na kole garncarskim, przedmioty metalowe, w tym ozdoby, przedmioty codziennego użytku, narzędzia rolnicze oraz elementy uzbrojenia.
Na szczególną uwagę zasługują odkrycia dokonane w trakcie badań wykopaliskowych w Przywozie, pow. Wieluń. Obok osady, na której odkryto m.in. budynki mieszkalne, obiekty gospodarcze w postaci jam zasobowych, palenisk i dymarek, rozpoznano tam dwa kurhany tzw. książęce zawierające pochówki ówczesnej elity. Podobne odkryto także w Łęgu Piekarskim, pow. Turek, zawierające w swym wyposażeniu liczne importy rzymskie.
Na uwagę zasługują również badania osad i cmentarzyska w Zadowicach, pow. Kalisz, obejmujących niemal cały okres trwania kultury przeworskiej, cmentarzyska w Kolonii Rychłocice, pow. Wieluń i osady w Kolonii Wola Branicka, pow. Zgierz. Zbiory Działu wzbogaciły także badania wykopaliskowe prowadzone przez Fundację Badań Archeologicznych Imienia Profesora Konrada Jażdżewskiego, w których brali udział pracownicy Działu na inwestycjach związanych z rozbudową kopalni węgla brunatnego w Bełchatowie, odkrywka Szczerców i budową autostrad.
Wymienić tu wypada osadę produkcyjną ceramiki toczonej na kole garncarskim w Chabielicach, pow. Bełchatów, osadę produkcyjną związaną z obróbką lnu i cmentarzysko w Koloni Orenice, pow. Łęczyca, osadę i cmentarzysko w Wiktorowie, osadę w Wytrzyszczkach i cmentarzysko w Gozdowie, pow. Zgierz. W trakcie tych prac badawczych pozyskano bardzo liczne przedmioty zabytkowe zarówno pochodzenia miejscowego, jak i będące importami z Imperium Romanum.
Dział Okresu Średniowiecza i Nowożytności w strukturze organizacyjnej Muzeum wydzielono na przełomie roku 1953/54, a jego pierwszym kierownikiem została doc. dr Janina Kamińska. W Dziale gromadzone i opracowywane są materiały zabytkowe obejmujące pełne spektrum chronologiczne badanego okresu, począwszy od początków osadnictwa słowiańskiego na terenach Polski Centralnej (VI/VII–VIII w.), na czasach nowożytnych kończąc.
Wyraźny akcent położono na badanie środkowopolskich grodzisk, zarówno z okresu wczesnego, jak i późnego średniowiecza, tzw. gródki stożkowate. Wśród grodzisk badano m.in. obiekty w Tumie, pow. Łęczyca, w Czerchowie, pow. Zgierz, Rozprzy i Rękoraju, pow. Piotrków Trybunalski, Skoszewach Starych, pow. Łódź Wschód czy Szydłowie, pow. Pabianice, a także osadę obronną w Barkowicach Mokrych, pow. Piotrków Trybunalski oraz gródek stożkowaty w Siedlątkowie, pow. Poddębice.
Badaniami objęto również szereg cmentarzysk wczesnośredniowiecznych z najważniejszym wśród nich obiektem w Lutomiersku, pow. Pabianice, gdzie zidentyfikowano pochówki z końca X i XI w. Prowadzono ponadto badania opactwa cysterskiego w Sulejowie Podklasztorzu. Niezwykle cenne były także badania kazimierzowskich zamków w Inowłodzu, Przedborzu i Żarnowie wzniesionych u przepraw przez Pilicę. Z badanych obiektów pochodzą zbiory obejmujące bardzo zróżnicowane kategorie zabytków, począwszy od przedmiotów codziennego użytku, poprzez militaria, biżuterię oraz elementy wyposażenia zamków i dworów.
Pracownia Rysownicza zajmuje się dokumentacją rysunkową zabytków głównie archeologicznych, współpracuje także z Zespołem Działów Etnograficznych i Działem Numizmatycznym. W zależności od rodzaju zabytku, dokumentacja wykonywana jest w formie elektronicznej, edytowalnej, na tablecie graficznym lub tradycyjnie – tuszem na kalce (np. zabytki krzemienne), z przeznaczeniem do kart katalogowych, katalogów, opracowań naukowych.
Pracownia wyposażona jest w wysokiej jakości sprzęt do drukowania i skanowania wielkoformatowego.
Do zadań pracowni należy także:
- dokumentacja graficzna na potrzeby wydawnictw (rekonstrukcja zabytków – ceramicznych, krzemiennych, kościanych, kamiennych, metalowych – militaria, monety, biżuteria),
- próba rekonstrukcji założeń, budowli itp. – na podstawie wyników badań archeologicznych, w ścisłej współpracy z badaczami poszczególnych stanowisk,
- rysowanie, przerysowywanie map i dokumentacji pochodzącej z badań archeologicznych (metodami tradycyjnymi, a także z wykorzystaniem programów graficznych),
- projektowanie okładek, ilustracji do wydawnictw muzealnych,
- projektowanie, drukowanie wielkoformatowych plakatów, banerów, a także zaproszeń, folderów informujących o wydarzeniach kulturalnych mających miejsce w muzeum
Biblioteka Archeologiczna gromadzi książki oraz czasopisma z zakresu archeologii pradziejowej i historycznej Polski i Europy oraz dyscyplin pokrewnych takich jak: geomorfologia, antropologia, historia, historia sztuki.
Księgozbiór, który jest stale powiększany, stanowią publikacje polskie i zagraniczne (głównie niemieckie, czeskie, słowackie) pozyskiwane m.in. w ramach wymiany międzybibliotecznej z blisko 150 instytucjami. Na koniec 2023 r. w zbiorach Biblioteki znajdowało się 19,5 tys. wydawnictw zwartych oraz ponad 16 tys. czasopism.
Zbiory skatalogowane się w dostępnym w Czytelni katalogu kartkowym.
Z księgozbioru można korzystać wyłącznie na miejscu, w czytelni Biblioteki Archeologicznej, od poniedziałku do piątku w godzinach 9:00–14:00.
Dział zajmuje się gromadzeniem i przechowywaniem materiałów związanych z działalnością merytoryczną Zespołu Archeologicznego. Materiały te obejmują zbiory planów, fotografii i przeźroczy. Ilustrują one badania wykopaliskowe, najcenniejsze zabytki archeologiczne, wystawy oraz inne wydarzenia kulturalno-oświatowe i naukowe.
Spośród zgromadzonej dokumentacji, szczególne znaczenie archiwalne mają fotografie z lat 1928–1942. Ponad 900 zdjęć odzwierciedla wyniki najstarszych badań wykopaliskowych na terenie Polski Środkowej i Kujaw.
Odrębny zbiór stanowią mapy topograficzne w różnych skalach, obejmujące obszar niemal całego kraju.