Археологическая коллекция музея является местом сосредоточения древних предметов (артефактов), полученных в результате раскопок памятников археологии, а также случайных сборов с территории Верхнего, Среднего и Нижнего Прииртышья. Коллекции представляют все исторические периоды деятельности человека на территории Омской области: с эпохи позднего палеолита (12500 лет назад – стоянка Черноозерье II в Саргатском районе Омской области) до нового времени (Первая омская крепость — 1716 г.). Наиболее полно представлены материалы раннего железного века (V в. до н.э. – V в. н.э.) и средневековья (VI в. н.э. – XVII в. н.э.); интересна и разнообразна коллекция с поселений эпохи бронзы. Эпоху каменного века ярко характеризуют материалы всемирно известных стоянок Черноозерье II и Омской. Всего в коллекциях 32430 ед. хранения. Это предметы материальной культуры – инструменты, предметы быта, оружие, украшения, фрагменты снаряжения всадника, заготовки для изготовления орудий – из камня, кости, глины, бронзы, железа. Некоторые из них характеризуют духовную культуру древних людей, поскольку являются культовыми предметами. Все коллекции доступны для работы исследователей.
Начало формирования археологической коллекции музея относится к последней четверти XIX в., когда в Омске в 1877 г. был создан ЗСОИРГО. В это время в музей при ЗСОИРГО поступили предметы бронзового века с территории Южной Сибири. До второй половины 20-х гг. XX века основным каналом поступления археологических предметов в музей была доставка отдельных случайных находок частными лицами. Отсутствие профессионалов и любителей-археологов в составе Отдела и в музее было также причиной отсутствия научной археологической экспозиции. Однако, в этот период происходит открытие краеведами археологических памятников, материалы которых станут началом формирования собственно научной коллекции археологии в музее. Такими памятниками стали Омская стоянка (многослойный памятник, мезолит - бронзовый век), открытая в 1918 г. С.А. Ковлером; Екатерининская стоянка (энеолит), открытая в 1923 г. П.Л. Дравертом.
В 1926–1929 гг. в музее работала В.П. Левашова - профессиональный археолог, выпускница исторического факультета МГУ. Ею были открыты, обследованы и частично раскопаны десятки археологических памятников, преимущественно эпохи раннего железного века. В 1930-е гг. пополнение фонда осуществлялось за счет случайных находок. От крестьянина Ф.С. Бледнова музей принял топор и несколько бронзовых стамесок (X - VII вв. до н.э.), которые были найдены в окрестностях с. Баландино (Баландинский клад). В 1937 г. от колхозника Баширова поступила уникальная коллекция культово-художественных литых бронзовых поделок (великолепные антропоморфные, зооантропоморфные изображения, наконечники стрел), найденная на р. Мурлинке в районе д. Айткулово Тарского района Омской области (кулайская культурно-историческая общность раннего железного века).
С 1936 г. в музее стал работать А.Ф. Палашенков, с именем которого связан новый этап становления археологии в Среднем Прииртышье. За время своей работы в музее (1937–1957 гг.) ученый открыл на территории современных Омской и Тюменской областей сотни археологических памятников, обследовал известные прежде. С начала 1960-х гг. в Омском Прииртышье начал проводить регулярные исследования московский археолог В.А. Могильников. Среди его коллекций заметным вкладом становятся - керамический комплекс со Сперановского городища (кулайская культурно-историческая общность эпохи раннего железного века) на правобережье р. Оми Омского района и комплекс находок с городищ у с. Новоникольское (начало II тыс.н.э.) Усть-Ишимского района Омской области, а также целый ряд средневековых памятников из Большереченского района Омской области (курганные могильники у д. Каиркуль, Алексеевка и у оз. Ирча).
Неординарным событием в истории формирования коллекции музея стало поступление в конце 60-х гг. предметов палеолитической стоянки у д. Черноозерье Саргатского района Омской области. Стоянка исследовалась экспедициями Уральского государственного университета под руководством к.и.н. В.Ф. Генинга. Материалы с этой стоянки (XI - X тыс. до н.э.) были представлены выразительными предметами, куда входили каменные орудия труда - проколки, резцы, нуклеусы, отщепы, изготовленные из кремнистых, яшмовидных пород и песчаника, а также костяные изделия - диадемы, подвески, игла, в том числе комбинированный орнаментированный кинжал, состоящий из костяной основы и вставленных в ее узкие пазы каменных ножевидных пластин
В 1972 году в музей была передана группа бронзовых (наконечники копий, долото, кельты, нож) и каменных (литейная форма и наконечники стрел) предметов из могильника у д. Ростовка Омского района Омской области эпохи развитой бронзы (XIII в. до н.э.), раскопки которого проводил профессор В.И. Матющенко в 1966 - 1969 гг. собранная коллекция имеет огромное научное значение, поскольку ее материалы доказывают существование на огромном пространстве Евразии в середине - третьей четверти II тыс. до н.э. крупных центров бронзолитейного производства и самобытного искусства. Крупный вклад в пополнение и приведение в научную систему археологических коллекций Омского краеведческого музея внес омский ученый А.И. Петров. Он передал материалы раскопок оригинального грунтового могильника "Хутор Бор" энеолитического времени, поселения и могильника "Хутор Бор IV" (многослойный памятник, неолит - средневековье) в Тевризском районе Омской области.
В 80-90-е годы появились собрания из раскопок экспедиций Омского педагогического университета, проведенных под руководством Б.А. Коникова. Существенно дополняют облик культуры предков южных хантов материалы с могильника у д. Аргаиз Знаменского и у д. Имшегал Тарского районов Омской области (здесь интересны бронзовые украшения и зооморфные подвески). Большим числом находок представлено городище Кипо - Кулары III в Тевризском районе Омской области, в культурном слое которого сохранилось много добротных вещей из железа, бронзы, кости и глины. Памятник двухслойный. Он расшифровывает богочановскую культуру раннего железного века и усть-ишимскую раннего средневековья. Обе культуры, хотя и разделены тысячелетием, но являются звеньями одного периода формирования в таежном Прииртышье угорского этноса. В числе других коллекций, переданных позднее в музей, - материалы с Усть-Ишимского курганного могильника, по результатам раскопок которого была выделена археологическая культура X - XIII веков н. э., соотносимая с южными хантами. Среди усть-ишимских находок свыше 30 стеклянных бусин, бронзовые поясные бляшки, различные подвески (в том числе и птицевидные), серебряные серьги.
С 2011 года в музее формируется коллекция предметов, полученных в результате раскопок омским археологом С.Ф. Татауровым уникального памятника эпохи освоения и заселения Сибири русскими: Тарской крепости. В коллекцию входят предметы хозяйственно-бытовой деятельности первых русских поселенцев, украшения, одежда, обувь, вооружение. Под эгидой музея проходят первые масштабные раскопки на территории Первой Омской крепости, полученные артефакты формируют экспозицию по начальному периоду существования города Омска.
