Seniausi akmens amžiaus eksponatai: titnaginiai dirbiniai, skeltės ir nuoskalos, raginis kirvis iš šiaurės elnio rago – priskiriami vėlyvojo paleolito pabaigai, datuojami XII–IX tūkstantmečiu pr. Kr. Mezolito laikotarpio rinkinio pagrindą sudaro titnago dirbiniai, taip pat dirbiniai iš kaulo ir rago. Dauguma radinių – iš tyrinėtų pietryčių Lietuvos akmens amžiaus stovyklaviečių. Apie seniausius laidojimo papročius Lietuvos teritorijoje žinome iš Donkalnio mezolito kapinyno. Bene žymiausias radinys – mezolito laikotarpio Donkalnio žynio kapas iš Biržulio apyežerės.

Gausiausias titnaginis neolito laikotarpio inventorius yra iš pietryčių Lietuvos – Merkio upės baseino gyvenviečių. Muziejuje taip pat saugoma didelė akmens amžiaus dirbinių kolekcija iš Žemaitijos – Biržulio ežero baseino, rytų Aukštaitijos – Kretuono ežero baseino, pietų Lietuvos – Šešupės baseino. Unikalūs medžio, kaulo, gintaro dirbiniai iš tyrinėtų Šventosios gyvenviečių, įspūdinga keramikos fragmentų gausa iš Nidos gerokai praplečia mūsų protėvių gyvenimo tiek materialinės, tiek dvasinės kultūros vaizdą. Šventoji ir Nida – didžiausios neolito laikotarpio tyrinėtos gyvenvietės Lietuvoje.