Оренбургский губернаторский музей располагает значительной археологической коллекцией — сегодня она насчитывает более 35 тысяч единиц хранения. Это памятники материальной культуры древнего населения степного Приуралья от верхнего палеолита и до позднего средневековья. Коллекция собирается и бережно хранится в музее уже на протяжении более 100 лет.
Начало археологической коллекции музея было положено в конце XIX века, когда был открыт Историко-археологический музей Оренбургской Учёной Архивной Комиссии. Первые артефакты были получены из раскопок курганов на Бердинской горе, к ним добавились случайные находки, обнаруженные при добыче строительного камня на горе Маяк. В 1911 году в собрание поступили вещи, найденные при ограблении крестьянами кургана у села Прохоровка Шарлыкского района.
В 20-е годы XX века пополнением коллекции занимались сотрудники краеведческого музея И. А. Зарецкий и Д. А. Захаров. Ими были исследованы курганные могильники у с. Сара Кувандыкского района, с. Веселый Акбулакского района и пос. Белошапка Гайского городского округа.
Регулярно археологические коллекции в музей начали поступать с 1956 года. Этому способствовали многолетняя и ежегодная деятельность Оренбургской экспедиции Института археологии АН СССР, Оренбургского областного музея и Государственного исторического музея под руководством К.Ф. Смирнова и его соратника — оренбургского историка, краеведа, археолога, сотрудника Оренбургского краеведческого музея С.А. Попова. Ими были исследованы курганные могильники Тара-Бутак, Близнецы, Мечет-Сай, Увак и Пятимары I.
После 1977 года удалось завершить формирование полных научных коллекций музея по каменному веку от мезолита и до энеолита благодаря деятельности археологической лаборатории Оренбургского педагогического института (ныне Оренбургский государственный педагогический университет) под руководством Н. Л. Моргуновой — материалы, собранные по итогу раскопок Старотокской стоянки и Ивановского поселения в Красногвардейском районе, были переданы в краеведческий музей. Также пополнились коллекции из раскопок памятников бронзового века, начиная с эпохи ранней бронзы (ямная культура) из курганных могильников, расположенных у сёл Болдырево, Тамар-Уткуль, Изобильное и хутора Барышников Оренбургской области.
Материальную культуру поздней бронзы (срубная и алакульские археологические культуры) характеризуют многочисленные случайные находки, полученные из раскопок могильника у с. Новая Белогорка Сорочинского городского округа, поселений у с. Кузьминка Ташлинского района и с. Покровка Новосергиевского района.
В 2003 году в музей поступила богатейшая коллекция эпох бронзы и нового времени, сформированная экспедицией Института археологии РАН под руководством Е. Н. Черных по итогам раскопок рудного поля на участке Горный.
Начиная с 1989 года была собрана многочисленная коллекция раннего железного века, благодаря работе Илекской, а затем Приуральской экспедиций Института археологии РАН под руководством Л.Т. Яблонского. Ими были исследованы курганные могильники у с. Покровка Соль-Илецкого городского округа и доисследованы курганы у с. Прохоровка Шарлыкского района. Самые значительные поступления за последние десятилетия связаны с раскопками грандиозного некрополя раннего железного века — Филипповского курганного могильника, доисследованного в 2004–2014 года.
Фонды музея пополняются новыми археологическим коллекциями ежегодно. В основной экспозиции музея «Археологическое наследие Оренбургского края» представлены самые яркие археологические комплексы и случайные находки.
