Ekspozycja archeologiczna jest początkiem stałej wystawy „Z przeszłości Piły i regionu”. Najstarsze ślady pobytu ludzi na ziemi nadnoteckiej pochodzą z paleolitu schyłkowego, z okresu około XII/X – VIII tys. p.n.e. Są nimi pozostałości obozowisk i koczowisk grup łowieckich oraz nieliczne narzędzia krzemienne i kościane. Ekspozycję archeologiczną rozpoczynają zabytki pochodzące z mezolitu (VIII – VI tys. p.n.e.) i końca epoki kamienia – z neolitu (VI – III/II tys. p.n.e.). Zaprezentowane są tu najbardziej charakterystyczne dla tego okresu naczynia gliniane i narzędzia – obok kamiennych i krzemiennych – wykonane także z kości i poroża. Warte uwagi są również zakonserwowane drewniane elementy, fragmenty drewnianej grobli użytkowanej w latach 2490-2448 p.n.e., odkrytej w dolinie Noteci w Żuławce Małej.

Następna część wystawy poświęcona jest wczesnej epoce brązu (pierwsza połowa II tys. p.n.e.). Prezentowane tu zabytki to gliniane naczynia oraz ozdoby, narzędzia i broń, wykonywane zarówno z kości i poroża, z krzemienia i kamienia, jak i importowane – z brązu. Na szczególną uwagę zasługują przedmioty pochodzące z, badanego już w latach trzydziestych XX wieku, cmentarzyska w Śmiardowie Krajeńskim. Uzupełnieniem tej części ekspozycji jest rekonstrukcja grobu.

Dalej obejrzeć można eksponaty pochodzące ze schyłku epoki brązu i z początków epoki żelaza (czasy tzw. kultury łużyckiej i kultury pomorskiej, lata około 1200 – 300 p.n.e.). Wśród nich, obok brązowego miecza czy tzw. popielnic twarzowych, uwagę zwracają dwa skarby brązowe: ponad sześćdziesiąt siekierek i forma odlewnicza odkryte nad Notecią w Rosku, gm. Wieleń oraz zbiór ozdób ciała i aplikacje uprzęży końskiej znalezione nad Gwdą, w administracyjnych granicach Skórki, gm. Krajenka. Warta zauważenia jest również grupa pięciu naczyń glinianych – skromna pozostałość niezwykle bogatych zbiorów ze zniszczonego w 1945 roku Landesmuseum Schneidemühl.

Koniec wystawy poświęcony jest dwóm okresom. W pierwszej części znajdują się zabytki z młodszego okresu przedrzymskiego oraz z okresu wpływów rzymskich (około III w. p.n.e. – V/VI w. n.e.). Prezentowane przedmioty dokumentują osadnictwo i wędrówki społeczności kultur: jastorfskiej (Bastarnowie), wielbarskiej (Goci) i przeworskiej (tzw. związek wandalski) oraz kontakty mieszkańców ziemi nadnoteckiej z terenami cesarstwa rzymskiego. Druga część prezentuje eksponaty związane z wczesnym średniowieczem i średniowieczem (VII – XV/XVI w.). Obok charakterystycznych dla tych okresów naczyń, broni i narzędzi, zobaczyć można zespół brązowych ozdób pochodzenia bałtyjskiego. Ekspozycję archeologiczną kończy umieszczone na ścianie zdjęcie przedstawiające ruiny wieży rycerskiej z Gołańczy.