Η υστερονεολιθική (3500-2900 π.Χ) και η πρωτομινωική (2800-2100 π.Χ) εποχή αντιπροσωπεύονται από ευρήματα που προέρχονται από τις ανασκαφές στα σπήλαια Γερανίου, Μελιδονίου, Ελενών.

Στην Περιοχή Αποδούλου και στο Μοναστηράκι έχουν έρθει στο φώς κτιριακά συγκροτήματα με αποθήκες και εργαστήρια, τα οποία χρονολογούνται στη μεσομινωική εποχή (2100-1600 π.Χ). Εντυπωσιάζουν το πήλινο ομοίωμα ναϊσκου και τα σφαγίσματα, τα οποία παρέχουν σημαντικές πληροφορίες διοικητικής και οικονομικής οργάνωσης. Πλήθος Πήλινων ειδωλίων της ίδιας εποχής προέρχονται από το ιερό κορυφής στον Βρυσίνα, ενα από τα σημαντικότερα και τα μεγαλύτερα στο νησί. Αξιόλογο έκθεμα που προέρχεται επίσης από το Βρυσίνα είναι τμήμα λίθινου βωμίσκου με επιγραφή σε γραφή Γραμμική Α.

Η υστερομινωική εποχή (1600-1100 π.Χ) εκπροσωπείται κυρίως από ευρήματα που προέρχονται από νεκροταφεία, με αντιπροσωπευτικότερο το νεκροταφείο των Αρμένων. Μια αξιόλογη συλλογή από ταφικές λάρνακες εκτίθεται στο Μουσείο. Από τα κτερίσματα των τάφων ξεχωρίζουν η ηθμοπυξίδα από τον Σταυρωμένο, το οδοντόφρακτο κράνος από την περιοχή Αρμένους, το κάτοπτρο με την ελεφαντοστεινή λαβή και η μινωική θεά με υψωμένα χέρια από το χωριό Παγκαλοχώρι.

Στοιχεία για τους γεωμετρικούς χρόνους (1000-700 π.Χ) δίνουν οι ανασκαφές που διεξάγει το Πανεπιστήμιο Κρήτης στην Ελευθέρνα. Η έρευνα αυτή αποκάλυψε οικιστικά σύνολα, ιερά, νεκροταφεία και μια παλαιοχριστιανική βασιλική, τα οποία πιστοποιούν κατοίκηση στην περιοχή από τα προϊστορικά εως τα πρώιμα βυζαντινά χρόνια. Τα πιο σημαντικά εκθέματα των αρχαϊκών χρόνων (700-500 π.Χ) είναι η επιτύμβια στήλη με παράσταση πολεμιστή από την Ελεύθερνα και τα πήλινα ειδώλια από ιερά της Αξού. Απο τα λιγοστά εκθέματα του 5ου αι. π.Χ ξεχωρίζει η επιτύμβια στήλη με παράσταση νέου απο τον Σταυρωμένο. Μικρή συλλογή ερυθρόμορφων αγγείων και πήλινα ειδώλια χρονολογούνται στα υστεροκλασικά και στα ελληνιστικά χρόνια (4ος-1ος αι. π.Χ).