Палеонтология және археология залы — палеонтологиялық және археологиялық деген екі кешеннен тұрады. Мұндай экспозициялық кешенді құру алдымен адамзат тарихының нәсілдік-генетикалық және әлеуметтік дамуындағы табиғи және антропогенді екі іргелі факторларының өзара себеп-салдарының байланысуы мен тәуелділігіне негізделген. Палеонтология бөлімі бай остеологиялық материалдар, тасқа айналған ағаштар, тақтатастардағы жәндіктер, балықтар мен өсімдіктердің таңбаларымен таныстырады. Бұл бөлімдегі экспонаттардың көпшілігінің жасы миллиондаған жылдардан асады. Палеонтологиялық экспонаттар екі орталық витринада 12 геологиялық кезең бойынша хроногиялық тәртіппен орналастырылған.
Археологиялық экспозиция кешені тас ғасыры, қола дәуірі, ерте темір ғасыры, хун-сармат дәуірі, орта ғасырлар және Қазақстан аумағын ежелден XV ғасырға дейін мекендеп келген тайпалардың тарихы, экономикасы, діни көзқарасы, көркем қолөнері, сәулет өнерімен таныстырады. Экспонаттар залдың екі деңгейінде тақырыптық және хронологиялық жүйелілікпен орналасқан. Экпозицияда әртүрлі археологиялық экспедициялардың жұмысының нәтижесінде Қазақстанның аумағында табылған археологиялық заттар бар. Мұнда археологиялық қазбалардың аса құнды көшірмелері қойылған, солардың ішінде Есік қорғанынан табылған «Алтын адам», Қарғалы және Жалаулы көмбелерінен табылған бірегей көне алтын бұйымдар, ертедегі жерлеу орнының жаңғыртпасы, ортағасырлық архитектура ескерткіштерінің макеттері мен диорамалар көрсетілген. Сақ кезеңіндегі ерте көшпелілер мәдениетінің жарқын көрсеткіштері ретінде қару-жарақ үлгілерін, ат әбзелдері, қола ыдыстар, қазандар мен ғұрыптық ыдыстарды атап өтуге болады. Оңтүстік Қазақстандағы қаңлы мәдениеті ескерткіштері б.з.д.IV ғ. – б.з.IV ғ. Арыс өзені бойындағы тұрақтар мен обаларды қазу кезінде алынған бірегей артефактілермен көрсетілген. Орта ғасырдағы көшпелі-түркілер өз ұрпақтарына тас мүсіндер, жауынгер атрибуттары: садақ пен жебе, найза, сауыт, қола шытыралары бар белдіктер және т.б. қалдырған.
Қазақстандағы қала мәдениетінің гүлденуі моңғол шапқыншылығы салдарынан тоқырап қалды. 1219 жылы Шыңғыс ханның қалың қолы Жетісуды жағалай, Оңтүстік Қазақстан мен Орта Азияға басып кірді. Қарсылық көрсеткен қалалар жермен-жексен болды. Бұлардың арасында 6 ай бойы арпалыса қарсыласқан Отырар қаласы да болды. Бұл көрініс «Отырар қаласының қаһармандық қорғанысы» диорамасында бейнеленген.
Қайта жаңғыртпаларда Еуразияның ертедегі көшпелілердің мәдениетін археологиялық қалпына келтіру саласында көпжылдық ғылыми әзірлемелерді жинақтап, ертедегі көшпелілік өркениеттің негізгі тасымалдаушылары – көшпелілер мәдениетінің, дәстүрлерінің әр түрлі көзқарастары туралы ақпараттық дереккөз ретінде қызмет атқарады. Мәселен, мынаадй ғылыми жаңғыртпалар бойынша археологиялық жобалар табысты түрде жүзеге асырылды: «Б.з.д. XIV- IX ғ.ғ. андронов мәдениеті әйелінің киімі мен керек-жарақтары» (жаңғыртпаның авторы К. Ақышев), «Б.з.д. IV – III ғғ. «Алтын адам» (Ә. К. Ақышевтың жаңа нұсқасы бойынша Қ. Алтынбеков дайындады), «Б.з.д. II ғ. – б.з. IV ғ. Қаңлы әйелі», «Б.з.д. II ғ. – б.з. IV ғ. атақты жауынгер – сюннудың (ғұнның) қару-жарағы мен киімдері» — авторы және ғылыми-өндірістік топтың жетекшісі т.ғ.д. А.Н. Подушкин.
