Archeologická expozice podává přehled poznatků o archeologických lokalitách ze starší doby kamenné, které byly zkoumány v katastrech Dolních Věstonic a sousedního Pavlova. Světovou proslulost věstonickému nalezišti přinesly systematické výzkumy, které v letech 1924 – 1938 prováděl Karel Absolon. K jeho nálezům patří také jedinečná Věstonická venuše, soška ženy z pálené hlíny. Další rozsáhlé výzkumy mezi lety 1947 – 1978 vedl Bohuslav Klíma v blízkosti předešlých poloh, ale také v sousedním Pavlově, od něhož je odvozováno pojmenování celé tehdejší archeologické kultury (pavlovien, starší fáze gravettienu, 30 000-25 000 let před současností). Rozsáhlé výzkumy záchranného charakteru probíhaly v osmdesátých letech. V současnosti jsou realizovány výkopy v terénu a zpracování výzkumů z minulých desetiletí pod vedením Jiřího Svobody Archeologického ústavu Akademie věd České republiky v Brně.