A 19. század közepén a levéltárban összegyűlő régiségek szétválogatását gróf Apponyi Antal szorgalmazta. Tolna megye közgyűlése határozatot fogadott el egy múzeum felállításáról, valamint arról, hogy a különböző felajánlásokat a megyegyűlés elé terjesszék. A régészeti gyűjtemény alapját is különböző felajánlások képezték. 1874-ben a Tolnavármegyei Közlönyben tettek közzé felhívást, amelyben kérték a megye közönségének segítségét és támogatását a múzeumi tárgyak összegyűjtéséhez. Ebből az időből származik dr. Novák Sándor paksi orvos felajánlása, aki tekintélyes magángyűjteményének egy részét bocsátotta rendelkezésre.

A régészeti jellegű tárgyak összegyűjtésének újabb lendületet a megye monográfiájának elkészíttetése adott. Kammerer Ernő nem egyedül vállalkozott a feladatra, mai szóhasználattal a régészeti részt Wosinsky Mór írta meg. Nem kevés nehézség árán, az egész megyét bebarangolva végezte munkáját. A szisztematikus kutatás anyaga, mivel költségeit a Magyar Nemzeti Múzeum fedezte, nagyrészt annak gyűjteményét gyarapította. 1895-re készült el a monográfia, amely mindmáig jelentős forrása a megye régészetének, annál is inkább, mert a felhasznált leletanyag jelentős része az idők során elpusztult. 1895-ben vetette fel első ízben Wosinsky Mór a múzeum alapításának szükségességét, hiszen a monográfiához gyűjtött anyag végül is nem maradt a megyében. A megalakuló múzeum, amelynek anyagát a gimnázium épületének termeiben helyezték el, négy osztályból állt.

Az első helyen említett osztály a “régészeti, történeti és numismatikai” emlékeket tartalmazta. Ma már a három rész külön gyűjteményt alkot. A gyors ütemű gyarapodásnak köszönhetően 1899-ben a korábbi három helyett már a gimnázium valamennyi üresen álló termét elfoglalta a gyűjtemény. Ez összesen 33.000 db-ot jelentett. Feltehetőleg jelentős része régészeti anyag lehetett. A múzeum épületének átadása után a gyűjtemény tovább fejlődött, ezért az itt rendelkezésre álló tér hamarosan szűknek bizonyult. Ma már egyedül a régészeti és a numizmatikai leletanyag található a főépületben. Összességében elmondhatjuk, hogy az utóbbi évek nagyberuházásaihoz kapcsolódó megelőző feltárások anyagának köszönhetően mára az 1990-es évekhez képest megduplázódott a régészeti gyűjtemény. A több mint százéves gyűjtemény anyaga korszakhatárait tekintve is szélesebb kört ölel fel, mint a múzeumalapítás idején. Ez összefügg a régészet kutatási területének kibővülésével. Korábban a paleolitikumtól általában a honfoglalásig terjedő időszakot tekintették a régészet kutatási területének, ennek megfelelő volt a gyűjtőkör is. Ma már ez az időhatár a törökkor vége, azaz 1686, de a koraújkori régészet céltól függően akár 19. századi objektumokat  (például fazekas-központokat) is kutat.

A régészeti gyűjtemény nemcsak tárgyakat tartalmaz, hanem a kutatások során készített dokumentációt is, amelyhez különböző felmérési rajzok, fotók is tartoznak. A múzeumot a második világháború alatt komoly károk érték, a gyűjtemény és az adattár nagy része megsemmisült. A második világháború után a múzeum jelentős leletekkel gazdagodott. Leletmentések és tervásatások anyagai gyarapították az intézményt. Így került a gyűjteménybe Páriból korarézkori és bronzkori temető anyaga, Nagyvejkéről bronzkori kincslelet, Bátaszékről hunkori fejedelmi lelet, Regölyből arany és ezüst ékszerekből álló együttes egy alán fejedelemnő sírjából, Kajdacsról, Tamásiból és Gyönkről langobard temetők anyaga. A korszakban zajlott a Vármegyeháza udvarán az Árpád-kori apátság, a dunaföldvári vár és a Szekszárd-palánki (Jeni Palánk) török palánkvár kutatása, leletanyaguk a múzeum gyűjteményét gyarapították. Az ozorai várkastély műemléki és régészeti kutatása szintén jelentős mennyiségű leletet eredményezett a megfigyeléseken kívül.

A reneszánsz kőanyag, a fémtárgyak mellett kiemelkedő jelentőségű a várkastély pincéjében talált két kincslelet (pénzek és ötvöstárgyak). Ete mezőváros területéről még a 1960-as években került be kincslelet a múzeumba. A legújabb kutatások tárgyi eredményei: egy egyedülálló körmeneti kereszt, számos egyéb bronztárggyal, egy fazekasműhely raktárkészlete, valamint kályhacsempe készítéséhez szükséges negatívok és a késztermékek. Fadd-Jegeshegyen honfoglalás- és kora Árpád-kori temetők, Dombóvár-Békatón 16-17. századi iflák temető feltárására került sor, a mai M-9 gyorsforgalmi út megelőző feltárása során pedig a neolitikumtól a késő középkorig kerültek elő településrészletek, temetők. Az M6 autópálya Tolna megyei déli szakaszán 2006 és 2010 között folytatott megelőző feltárások a neolitikumtól a késő középkorig terjedő időszakból eredményeztek leleteket. A gyűjteményünk egy része kiállításainkon megtekinthető, más részét ismeretterjesztő és szakpublikációkban közöljük évkönyveinkben, kiállítás-vezetőkben. A gyűjteményhez tartozó adattár engedéllyel kutatható.