Päärakennuksen pohjakerroksen kolmessa salissa sijaitsevat Vanhalinnan arkeologiset näyttelyt. Ne esittelevät alueella tehtyjä esihistoriallisia löytöjä. Näyttelyssä luodaan läpileikkaus Varsinais-Suomen esihistorian keskeisiin teemoihin kuten asutukseen, elinkeinoihin ja hautaustapoihin.

Kivikauden huoneessa esitellään kivikauden (n. 8000-1300 eKr.) kulttuurijaksojen; Suomusjärven kulttuurin, kampakeraamisen kulttuurin, vasarakirveskulttuurin ja Kiukaisten kulttuurin keskeisimpiä piirteitä. Näyttelyssä on kattavasti esillä kullekin ajalle tyypillisiä esineitä kuten kivikirveitä, -talttoja ja -teriä sekä keramiikkaa. Esinelöydöt ovat maan eri puolilta. Kartoista voi seurata maiseman ja asutuksen kehittymistä ja tekstipaneeleissa kerrotaan mm. elinkeinoista ja uskomuksista.

Metallikausien huoneessa esitellään pronssi- (n. 1500/1300-500 eKr.) ja rautakauden
(n. 500 eKr.-1150/1300 jKr.) kulttuuria. Pronssikauden "uutuus" olivat korkeille kallioille rakennetut kiviröykkiöhaudat. Roomalaisajalta lähtien hautamuodot monipuolistuivat. Asutus levisi jokilaaksoissa ja muinaislahtien ympärillä. Asutus oli pysyvää ja elinkeinoina olivat pyynti, karjanhoito ja maanviljely. Viikinkiretket vilkastuttivat kaupankäyntiä ja toivat vaurautta, mutta myös levottomuuksia. Arkeologisessa materiaalissa tämä näkyy aseiden kuten keihäänkärkien lisääntymisenä. Myös suuri osa rannikolla sijaitsevista linnavuorista oli käytössä rautakauden lopulla. Ristiretkien käännytystyön myötä esineellinen hautaus loppui vähitelleen ja siirryttiin esineettömään ruumishautaukseen. Metallikausien huoneessa olevat löydöt ovat pääasiassa Varsinais-Suomesta.

Vanhalinnan mailla on rautakaudelle ajoittuva kalmisto Aittamäki. Sitä tutkittiin 1990-luvulla ja vanhimmat uurnahautaukset ajoittuivat 100-luvulle roomalaisajalle. Niiden päällä olevaan ns. polttokenttäkalmistoon on tehty hautauksia viikinkiajalla 900-luvulla.

Vanhalinnan maamerkkinä on 56 m meren pinnan yläpuolelle kohoava Linnavuori. Vanhalinnan Linnavuoren jo 1800-luvun lopulla alkaneiden ja 1970-luvulla päättyneiden tutkimusten tulokset esitellään omassa salissaan. Näyttelyssä on myös linnavuoren pienoismalli rautakauden lopun varustamisvaiheesta.

Vanhalinnan linnavuorella ensimmäiset merkit ihmisestä on yli 5000 vuoden takaa kivikaudelta, jolloin se toimi kalastajien ja hylkeenpyytäjien väliaikaisena pyynti- tai lepopaikkana. Linnavuoren käyttö turvapaikkana ja myöhemmin myös linnoituksena ajoittuu myöhäiselle rautakaudelle ja varhaiskeskiajalle eli 900-luvulta 1300-luvulle. Levottomina aikoina vuorella oli jatkuvaa vartiota ja merkkitulin välitetettiin tietoa uhkaavasta vaarasta. Koska linnavuorella varauduttiin olemaan pitkiäkin aikoja, arkeologisissa kaivauksissa on löydetty tavalliseen arkielämään liittyviä esineitä kuten astioita, vaatteiden osia, työkaluja, pelinappuloita, rahoja, hevoskaluja ja myös aseita mm. lukuisia panssarinuolenkärkiä. Vanhalinna-huoneessa on esillä myös arkeologin työvälineitä ja kaivausvalokuvia 1950-1970-luvun kaivauksilta.

Näyttelytilassa olevalta yleisöpäätteeltä voi tutustua multimediaesitykseen virtuaalisesta arkeologiapolusta. Se löytyy myös täältä.