În muzeu se regăsesc artefacte care fac parte, în mod cert, din patrimoniul arheologic universal, precum sunt cele mai vechi marturii din lume privind simbolismul omului de Neanderthal, reprezentate prin recipientele pentru prepararea ocrului si o geoda vopsita cu ocru de peste 50.000 de ani, descoperite în peștera Cioarei-Boroșteni (jud. Gorj), unicul colier din cochilii de melci de mici dimensiu
ni din Europa, de circa 29.000 de ani, cel mai vechi instrument de suflat din Romania, un fluier gravetian, de peste 20000 de ani, multe pandantive din dinti de animale și pandantive din piatră gravate, unele chiar mai vechi de 25000 de ani etc., toate acestea descoperite în siturile Piatra Neamț-Poiana Cireșului (jud. Neamț) și peștera Cioarei-Boroșteni. De altfel, în muzeu se concentreaza peste 3/4 din toate obiectele de podoabă și de artă descoperite în România, mai vechi de 10.000 de ani.
În muzeu este reconstituită una dintre cele mai mari peșteri dintr-un muzeu din România, și singura în care se regasesc oameni de Neanderthal realizați prin respectarea tuturor exigențelor privind morfologia acestora, surprinși în cele mai caracteristice preocupări, cm ar fi cioplirea uneltelor sau prepararea coloranților, un Homo Sapiens din Paleoliticul Superior, într-o firească ipostază de vânătoare, alături de un cort specific gravetianului. Expunerea materialui arheologic este foarte modern concepută, apelându-se la modalități moderne de prezentare a informațiilor, cm ar fi plasmele pe care rulează reconstituirea procedeelor tehnologice care au stat la baza realizării uneltelor și armelor din piatră și os, în perioade cu mult superioare vârstei de 10.000 de ani, toate artefactele fiind încadrate într-un mediu natural.
