Régészeti gyűjtemény

Kezdetben a múzeumi gyűjtemény egységes volt. Tartalmazta a főként adományokból származó régi érméket és papírpénzeket, a református kollégiumi gyűjteményt (több helyi vonatkozású tárggyal), de a helyi céhek információgazdag iratait is, amely időközben átkerült a csíkszeredai állami levéltárba.
A tárgyak gyarapodásával létrejött a történelmi, a néprajzi, a numizmatikai és a régészeti gyűjtemény. A későbbiekben további gyűjtemények is kialakításra kerültek.
A közös anyagból a régészeti gyűjteménybe a különféle őskori kultúrák pattintott és csiszolt kőeszközei (kőbalták, kőpengék), illetve fémtárgyai (bronz tokosbalták és fokosok) kerültek be. A római korhoz köthető véletlenszerű felfedezések során, adományozások útján begyűjtött tárgyak is ide kerültek. Önálló leltárkönyve 1954-től indul, ekkor a múzeumi gyűjtemény 2253 leltári számmal ellátott tárgyát jegyezték. Az önálló gyűjtemény létrehozását az indokolta, hogy a múzeum saját régészeti ásatásokba kezdett, Ferenczi Géza és Ferenczi István vezetésével, így jelentősen gyarapítva a tárgyi anyagot. 1955–56 Székelyszáldoboson az erősdi kultúra települési szintjeit kutatták, a Bögöz-Pagyvan tetőn késő újkőkori – kora rézkori leleteket hoztak felszínre, oroszhegyi Mákvárában folytatott régészeti ásatások során a középső bronzkori Wietenberg-kultúra magaslati telepe vált ismertté, Máréfalván pedig a vaskor korai időszakából származó erődítményt (Máré-vára) tártak fel. Több helyszínen kútattak a homoródszentpáli katonai tábor területén, (ahonnan adományok formájában is érkeztek leletek) valamint a középkori templom környezetében is. Közben Székelyudvarhely város területéről csatornázási munkák során kerültek be római, valamint középkori leletek.
Az 1960–70-es években több udvarhelyszéki középkori vár területén folyt régészeti ásatás: Firtos, Kustaly, Rapsóné, Tartód várában, valamint az Udvarhely város határában fekvő Budváron. Történelmi jelentőségű volt a bögözi Vízlokon feltárt népvándorlás-kori település, ahonnan jelentős mennyiségű, főként kerámia tárgyak kerültek raktározásra.
Ferenczi Géza nyugdíjazását követően a régészeti kutatómunka 2006-tól indult újra Udvarhelyszék középkori templomainak kutatásával: Kányád, Szentimre, Máréfalva, Bágy, Székelyderzs elpusztult vagy mai is álló középkori eredetű templomaiban és a homoródalmási Tatárkápolna területén folyt többek közt régészeti kutatás. Minden egyes, az ásatáson előkerült tárgy a régészeti gyűjteményt gayarpította. Ide kerültek a pénzérmék, gyűűrűk, hajtűk és más viseleti tárgyak is.
A múzeum legnagyobb ásatása 2008-ban kezdődött a város határában fekvő Kadicsfalvi-réten. Több hektáros felületen került feltárásra a gótokhoz köthető Marosszentanna-kultúrkör 3–4. századra keltezett települése, rendkívül gazdag kerámia és fémtárgy anyaggal.
2016-ban a múzeum átköltözött a felújított Haberstumpf-villába, így a régészeti gyűjtemény is tágabb raktározási lehetőséget kapott, új, egységes dobozokban tárolva, modern polcokon elhelyezve.
Tovább folytatva a templom és temetőkutatásokat, a Székelytámadt vár területén a felújításokkal kapcsolatos ásatásokat, a belvárosban elvégzett megelőző feltárások, szondázások, régészeti felügyeletek, amelyek már a környező falvakra is kiterjedtek jelentős mennyiségű új anyaggal gyarapította a gyűjteményt.
2025. év végéig a régészeti gyűjtemény összesen 14.927 önállóan beleltározott egységet számlált.