Arheološka zbirka Posavskega muzeja Brežice predstavlja Posavje od časa mlajše kamene dobe, v 5. tisočletju p. n. š. do prihoda Slovanov v 7. stoletju n. š. Najstarejši predmeti izvirajo iz 5. tisočletja p. n. š. in pripadajo času mlajše kamene in bakrene dobe. Med najdišči tega časa najbolj izstopa Ajdovska jama pri Nemški vasi, saj so z arheološkimi izkopavanji ugotovili, da so takratni ljudje jamo uporabljali kot pokopališče. Razstavljena je tudi izjemno bogata in dragocena zbirka poznobronastodobnih predmetov iz več kot štiristo žganih grobov, odkritih v Dobovi. Starejša železna doba je prikazana predvsem z gradivom iz gomilnega grobišča na Libni, med katerim izstopata bojna oprema pripadnika vojaške aristokracije s čudovito dvogrebenasto čelado in dvema sulicama ter okrasno oglavje za konja, sestavljeno iz bronastih okrašenih faler.

Obdobje prazgodovine se zaključi z mlajšo železno dobo in prihodom Keltov. Na območju Posavja je raziskanih kar nekaj keltskih najdišč, od katerih sta najpomembnejši grobišči iz Dobove in Brežic. Ob raziskavah teh najdišč so odkrili številne meče, sulice, ščite in kose nakita, ostanki bojnega voza pa so enkratna tovrstna najdba v slovenskem prostoru. Rimsko provincialno kulturo zastopajo predmeti iz najbolj znanih posavskih antičnih najdišč: Drnovo (Neviodunum), Ribnica (Romula) in Veliki Kamen, arheološka zbirka pa se konča s predmeti iz časa staroslovanske naselitve.

kustosinja arheologinja