Die archäologische Sammlung schöpft aus reichen Funden aus dem Heilbronner Land. Von der Steinzeit bis ins Frühmittelalter datieren die Bestände, die vor allem in den 1950er bis ‘70er Jahren geborgen wurden. Ein neolithisches Massengrab aus Talheim etwa bezeugt das früheste bekannte Massaker der Menschheitsgeschichte. Vielfältige Siedlungsfunde und Grabbeigaben aus der Region geben Einblick in die Eisen- und Bronzezeit.

Einen Schwerpunkt der Sammlung bilden Objekte aus der Epoche der römischen Besiedlung: Rund um das Böckinger Kohortenkastell aus der ersten Hälfte des 2. Jahrhunderts n. Chr. fanden sich zahlreiche Zeugnisse der Römer im Heilbronner Raum, die Alltagsleben, Handwerk und Handel, aber auch die Glaubenswelt der Spätantike dokumentieren.

Das Frühmittelalter, die Zeit der Franken und Alamannen, ist in den städtischen Sammlungen vor allem durch Grabbeigaben wie kunstvoll gearbeiteten Schmuck, Trachtteile und Waffen vertreten. Zu den Höhepunkten gehört die reiche Grabausstattung des nach seinem Fundort benannten Horkheimer Reiters.