Dział archeologii gromadzi zabytki archeologiczne, głównie z obszaru Zamojszczyzny. Materiały te reprezentują wszystkie epoki i okresy – od najstarszych śladów pobytu człowieka na tych terenach w epoce kamienia, po czasy nowożytne. Znaczną część stanowią materiały pozyskane w trakcie badań własnych prowadzonych na terenie stanowisk prahistorycznych, z okresu średniowiecza i nowożytnego. Zbiór ten w dużej mierze uzupełniają liczne dary i przekazy ofiarowane przez przypadkowych znalazców i darczyńców. Najstarsze eksponaty pozyskane w pierwszych dziesięcioleciach istnienia muzeum to pojedyncze dary narzędzi krzemiennych i kamiennych oraz naczyń glinianych z epoki kamienia i brązu. Najcenniejsze i najciekawsze zabytki są prezentowane na stałej ekspozycji archeologicznej „Zamojszczyzna w pradziejach i wczesnym średniowieczu”
Cenny zespół muzealiów w zbiorach zamojskich stanowią zabytki z okresu formowania się państwa polskiego, pozyskane w trakcie badań wykopaliskowych przeprowadzonych w obrębie wczesnośredniowiecznych kompleksów osadniczo–obronnych w Czermnie i Gródku nad Bugiem, uznanych jako grody Czerwień i Wołyń. Efektowną część zbiorów stanowią militaria: żelazne groty strzał do łuku, topory, ostrogi, fragment kolczugi czy karwasz, będący elementem ochronnym przedramienia łucznika. Na wystawie prezentowany jest również unikatowy zespół zabytków w postaci wyposażenia grobu wojownika z przełomu XII i XIII w.
Bogatą kolekcję wczesnośredniowiecznych zabytków uzupełnia, posiadająca szczególną wartość unikatowa kamienna ikonka z przedstawieniem Chrystusa, będąca wytworem rusko-bizantyjskiej sztuki sakralnej z początku XIII w.
Liczną grupę zbiorów stanowią zabytki pozyskane z wieloletnich wykopalisk na dwóch wielkich cmentarzach gockich z okresu rzymskiego w Masłomęczu i Gródku nad Bugiem. Z bogato wyposażanych grobów pochodzą naczynia gliniane, ozdoby i elementy stroju w formie zapinek z brązu, żelaza i srebra, sprzączek do pasa, wisiorków bursztynowych, amuletów, naszyjników i bransolet z paciorków szklanych i fajansowych oraz przedmioty codziennego użytku.
Pozyskane zbiory są opracowywane naukowo, publikowane oraz udostępniane w formie katalogu cyfrowego zabytków.