Археологическая коллекция ЧНМ насчитывает более 40 тыс. единиц хранения.
Первым предметом археологии стал каменный топор, найденный в Ядринском уезде, позже поступили находки кремневых орудий, обнаруженные близ Казани.
Большую роль в пополнении фондов музея предметами археологии сыграло Общество изучения местного края, члены которого привозили в музей из экспедиций различные находки. Следует отметить, что предметы поступали не только с территории Чувашии. Так, переданная профессором Казанского университета В. Ф. Смолиным коллекция фрагментов керамической посуды из г. Болгара значительно разнообразила собрание археологических образцов. Эта коллекция представлена в действующей экспозиции музея.
Особо стоит отметить предметы, полученные в результате экспедиций профессора В. Ф. Смолина 1921 г. и 1925 г., когда были изучены курганы у с. Абашево Чебоксарского района, выделенные позднее в отдельную археологическую культуру. Данная коллекция предметов состоит из бронзовых украшений, целых керамических сосудов и их фрагментов, относящихся к бронзовому веку (вторая половина II тысячелетия до н. э.).
В 1926–1927 гг. в Чувашии работал археологический отряд Средневолжской экспедиции Государственной академии истории материальной культуры, исследовавший археологические памятники всех эпох – от каменного века до позднего Средневековья – на всей территории ЧАССР. Материалы этих изысканий также пополнили собрание музея.
Сотрудники ЦЧМ тоже принимали участие в изучении археологического наследия Чувашии и пополнении фондов новыми находками. В 1933 г. они проводили раскопки могильника близ д. Баланово Козловского района, позднее давшего название новой археологической культуре бронзового века. Работы на этом могильнике продолжались в течение нескольких лет, а полученные материалы вошли в фонды музея и представлены в действующей экспозиции.
Значительной вехой в истории археологии Чувашии стало формирование Чувашской археологической экспедиции в 1956 г. Она состояла из четырех отрядов, каждый из которых исследовал разновременные памятники. В результате проведенных работ археологическая коллекция ЧНМ пополнилась множеством экспонатов, датируемых от неолита до позднего Средневековья.
Среди материалов фонда следует выделить находки с городища Хулаш X–XII вв., где раскопки велись в 1962–1965 гг. Эта коллекция является самой многочисленной и содержит в себе бронзовые украшения, железные и керамические изделия.
Археологические раскопки Иваньковского могильника в 1962–1967 гг. выявили погребения с большим количеством украшений, глиняных сосудов, фрагментов конской упряжи и оружия. Часть находок была передана в музей и представлена в экспозиции.
На пополнении коллекции благотворно сказывалось сотрудничество музея с образовательными учреждениями – с Чувашским государственным университетом имени И. Н. Ульянова и Марийским государственным университетом. В действующей экспозиции демонстрируются артефакты, полученные в результате раскопок уникального памятника археологии Чувашии – Анаткасинского могильника X–XII вв. Среди экспонатов – бронзовые, серебряные и золотые украшения. Руководителем археологической экспедиции Чувашского государственного университета М. И. Федуловым были переданы в музейное собрание находки с не имеющего аналогов в Чувашии Козловского городища XIV–XV в (у д. Козловка Ядринского района).
Экспедиции, проведенные в разное время сотрудниками музея А. И. Соколовым, Д. В. Спрыжковым, А. В. Волковым, также позволили обогатить коллекцию предметами различных эпох: мордовскими украшениями и наконечниками копий IV–VI вв., керамическим сосудом XVIII в., украшениями XVI–XIX вв.