Музейну колекцію старожитностей почали збирати ще в XIX столітті. Нині вона перебуває в будівлі Вірменського торгового дому (палац єпископа), в історичній частині міста. Експонати рівномірно розподілені по залах, відповідно до історичних епох. Вони представляють період раннього палеоліту і ґрунтуються на знахідках із стародавніх стоянок. Відтворені предмети праці і побуту, а також тодішню флору і фауну можна побачити крізь діораму "Печера неандертальця". Епоха мезоліту також характеризується наявними древніми знахідками. Період неоліту демонструють старовинні пам’ятки і первісні знаряддя вбивства у вигляді кам’яних сокир і наконечників. Мідно-кам’яний вік представлений експонатами з трипільської культури (посуд з глини, прикраси та інше). Є велика кількість матеріалів, що розповідають про залізне століття – це і релігійні атрибути, і прикраси, і домашнє начиння, і зброя. Експозицію музею завершує черняхівська культура з кістяними прикрасами, керамікою, золотими цінностями та іншими атрибутами первісних людей. У дворі також знаходиться виставка язичницьких ідолів, яких знайшли на території Хмельницької області.