Zone de passage incontournable entre les régions occidentale, méridionale et l'espace rhénan, la région de Montbéliard a de tout temps fixé les populations, attirées par ses ressources naturelles. Les collections archéologiques du musée proviennent principalement de sites régionaux, témoins de ces installations successives.
Premiers occupants de ce vaste territoire, les chasseurs -cueilleurs nomades du Mésolithique (12 500 à 5 500 avant J.-C.) ont abandonné harpons en os, pointes de flèches et outils en silex dans des abris-sous-roche et des campements de plein air servant de halte de chasse et de pêche. À Rochedane, ils gravent et peignent à l’ocre des galets, premiers indices d’une expression artistique.
Au Néolithique (5 800 à 2 100 avant J.-C.), l'apparition d'habitats fortifiés de hauteur coïncide avec la naissance de l’agriculture. Céramiques et haches polies mises au jour à Gonvillars et Gondenans-les-Montby illustrent les évolutions technologiques majeures de cette période.
L'Age du bronze (2 000 à 800 avant J.-C.) marque une modification profonde de l'économie et des structures sociales par l'utilisation de ce métal précieux. Deux dépôts d’objets découverts au Mont Julien à Pont-de-Roide et surtout la remarquable parure féminine de la Dame de Mathay attestent de relations commerciales florissantes. À proximité, l’urne funéraire d’un guerrier gaulois, enfouie avec les armes du défunt, témoigne de la présence d’une élite guerrière à l’Âge du Fer (vers 200 avant J.-C.).
Pour l’époque gallo-romaine, les riches collections composées de statuaire religieuse, et d’objets de la vie quotidienne, retracent l'évolution de la vaste agglomération antique de Mandeure durant plus de 400 ans.
