موزه ایران باستان دارای مجموعه‌های غنی از آثار باستان‌شناسی است که کهنترین آنها مربوط به دوره پارینه سنگی (بین یک میلیون تا حدود ۱۲ هزار سال پیش) و جدیدترین آثار آن مربوط به دوره ساسانی با قدمت بیش از ۱۷۰۰ سال است. در این سالن از دوره‌های مختلف پیش از تاریخ و تاریخی آثار منحصر بفردی دیده می‌شود.

قدیمیتری دست ساخته بخش پارینه سنگی در سالن ایران باستان که از سنگ کوارتز یا در کوهی ساخته شده‌اند، مربوط به حوزه رودخانهٔ کشف رود در شرق مشهد هستند، که بیش از یک میلیون سال قدمت دارند. از دیگر مجموعه‌های قدیمی این بخش دربند و گنج پر مربوط به استان گیلان و شیوه تو در نزدیکی مهاباد است که حدود هفتصد تا دویست هزار سال قدمت دارند. از دوره‌هایپارینه سنگی میانی و جدید نیز آثار جالب توجه‌ای در سالن موزه به چشم می‌خورد که بین دویست هزار تا حدود دوازده هزار سال قدمت دارند. از دوره پارینه سنگی میانه که همزمان با حضور انسان نئاندرتال در ایران است ابزارهای ساخته شده از سنگ آتش زنه و بقایای سنگواره جانوران مربوط به غارهای منطقه زاگرس و فلات مرکزی ایران از جمله غارهای بیستون و خرم‌آباد به نمایش درآمده است.

در دوره پارینه سنگی جدید که مصادف با گسترش انسان هوشمند امروزین در ایران است، ساخت تیغه ابزار رواج یافت. همچنین ساخت ابزارهای استخوانی و استفاده از تزیینات شخصی مانند آویز صدفی، دندان حیوانات و گل اُخرا نیز در این دوره در ایران متداول شد. از مکانهای مهم این دوره غار «یافته» (لرستان) است که نمونه‌هایی از اشیا آن در سالن موزه به نمایش درآمده است. از دوره بعدی (فرا پارینه‌سنگی) که مشخصه‌های آن ابداع ابزارهای ترکیبی، کاربرد سنگ ساب و ذخیره‌سازی مواد خوراکی است، نمونه‌هایی از غار «علی تَپه» (مازندران)، غار «شَلَم» (ایلام) و چند مکان دیگر به نمایش درآمده است.

از دوره نوسنگی و روستا نشینی آثاری چون قدیمیترین خشت ایران از تپه گنج دره، قدیمیترین پیکرکهای گلیانسان و حیوان از تپه سراب و ابزارهای سنگی در سالن به نمایش درآمده است. شوش (خوزستان)، اسماعیل‌آباد و چشمه علی (تهران)، تل باکون (فارس) از محوطه‌های بسیار مهم در هزاره‌های پنجم و چهارم پ.م. (دوره مس و سنگ) در ایران هستند که نمونه‌هایی از سفالینه‌های منقوش آنها در سالن دیده می‌شود. از نقشهای مورد توجه در این دوره می‌توان به نقش ساده شده بز کوهی اشاره کرد که در سطح ظروف سفالین اسماعیل‌آباد و چشمه علی دیده می‌شوند.

ظروف سنگی جیرفت و شهداد با نقوش متنوع مانند نبرد انسان با جانوران اساطیری و نقش مایه‌های هندسی، جانوری و گیاهی از نمونه‌های شاخص اند که در ویترین‌ها به نمایش درآمده‌اند. از دیگر آثار مهم این دوره در سالن موزه پیکر گلی از شهداد است که نشان دهنده نیمتنه مردی برهنه با دستان جمع شده بر روی سینه، احتمالاً در حالت نیایش نشان داده شده‌است.

ظروف، ادوات جنگی، اشیا تزئینی، پیکرک‌های انسانی و جانوری از جمله اشیای فلزی اواخر عصر مفرغ و آغاز عصر آهن هستند که در سالن به نمایش درآمده‌اند. همچنین سفال خاکستری با سطح صیقلی و داغدار و همچنین ظروف با لوله‌های ناودانی، ظروف با فرم‌های جانوری و انسانی و ریتون‌ها (ظروف جانورسان) و اشیای آهنی نیز از دیگر اشیا به نمایش درآمده است.

تعدادی از اشیای به نمایش درآمده در بخش پیش از تاریخ سالن متعلق به تمدن عیلام است. از تمام دوره‌های عیلامی آثار هنری فراوانی برجای مانده، خصوصاً از دوره عیلام میانه که یکی از پرشکوهترین ادوار سه‌گانه دوره عیلامیها است. معبد چغازنبیل یکی از مهم‌ترین بقایای معماری این دوره است که آثار قابل توجهی مانند پیکره گاو با کتیبه، لوله‌های شیشه‌ای، آجرنوشته‌ها و کلون در از آن به دست آمده که در سالن به نمایش درآمده است. لوله‌های شیشه‌ای چغا زنبیل از جمله قدیمی‌ترین نمونه‌های شیشه در ایران است. پیکره سازی، ساخت ظروف تزئینی از قیر طبیعی، نقوش برجسته، مهرهای استوانه‌ای، پیکرک‌ها به صورت نقش برجسته قالبی، آجرهای لعابدار، اشیای بدل چینی، اشیای مفرغی و سردیس‌های تدفینی از دیگر جنبه‌های هنر عیلامی‌ها در ادوار مختلف است که در سالن ایران باستان نمونه‌هایی از آنها دیده می‌شود.

آثار قابل انتساب به دوره ماد در سالن موزه از مکانهای باستانی نوشیجان، حسنلو، گودین و باباجان به دست آمده‌اند. در این دوره ساخت اشیا آهنی گسترش یافت که از نمونه‌های بارز آن در سالن می‌توان به اشیا حسنلو اشاره کرد. در این دوره سفالینه‌های لعابداری زیبایی ساخته می‌شد که یک نمونه جالب توجه آن تنگ لعابدار زیویه است نقش دو بز را در دو سوی یک گل لوتوس به نمایش گذاشته‌است.

آثار باشکوه دوره هخامنشی از نمونه‌های برجسته موزه ایران باستان هستند که بازتاب هنر غنی این دوره است