Археологическое собрание музея гомельского дворцово-паркового ансамбля, которое формировалось на протяжении почти 50-ти лет,  - одно из крупнейших в Республике Беларусь, насчитывает более 90 тысяч  предметов и хронологически охватывает период от верхнего палеолита до позднего средневековья. 

Учреждение продолжает традиции коллекционирования предметов археологии, найденных на территория края, заложенные в XIX века владельцами Гомельского имения Н. П. Румянцевым и Ф.И.Паскевичем.

Музей располагает значительной коллекцией костей ископаемых доисторических животных  (мамонта, шерстистого носорога, тура, северного оленя), дающей сведения о животном мире периода верхнего плейстоцена.  

Одними из самых многочисленных в собрании музея являются коллекции, полученные в ходе многолетних исследований культурного слоя древнего Гомеля экспедициями под руководством О.А. Макушникова. Археологические предметы из них позволяют проследить этапы истории средневекового города от момента его становления  (VII - IX вв.), в период наивысшего расцвета (XII - первая треть XIII в.) и до XVII - XVIII вв., которым и будет посвящена новая экспозиция.

С раннесредневековым периодом истории Гомеля связана уникальная для нашего региона находка бронзовой «пальчатой» фибулы, обнаруженной при раскопках славянского бескурганного погребения, так называемой  колочинской археологической культуры.

На территории окольного града в 1987 г. обнаружены остатки сгоревшей оружейной мастерской. Впервые на территории Восточной Европы был раскопан закрытый комплекс мастерской оружейника (погиб в пожаре 1239 г.), в котором найдено около двух тысяч пластин, служивших материалом для изготовления защитного вооружения древнерусских воинов. В рассматриваемом комплексе находились панцирные пластины, перекрестья мечей и сабель, обрывки кольчуг, бытовые предметы: ножи, серпы, части топоров, зубило и др. Эта находка позволяет предметно говорить об уровне развития кузнечного и военного искусства средневековых славянских мастеров.

К числу уникальных находок можно отнести наконечник стрелы в 2-й. пол. XII - нач. XIII  в., на обеих сторонах которого присутствует изображение знака княжеского рода Рюриковичей.

Коллекция предметов X - XVIII вв. из раскопок Гомеля позволит реконструировать многие стороны истории жизни города.

В экспозиции  найдут свое место и многочисленные случайные находки, происходящие с территории Гомельской области, в том числе - предметы вооружения X - XIII и XVII - XIX вв., небольшая коллекция разнообразных по форме и декору глиняных курительных трубок XVII - XVIII вв.

В состав  музейного собрания  также входят небольшие коллекции из археологических раскопок и разведок О.Н. Мельниковской, О.А. Макушникова, А.И. Дробушевского, В.А. Литвинова, Н.В. Бычкова, В.И. Сычева, А.И.Штеменко.

Предметы разного времени из состава вышеупомянутых  коллекций  будут представлены в экспозиции открытого хранения археологических фондов музея.

Экспозиции открытого хранения археологических фондов музея  станет продолжением экскурсии по историко-археологическому маршруту «Древний Гомий» по территории парка.