Формирование коллекции началось в 1928 году. Главными источниками комплектования коллекции являются археологические раскопки на территории Дмитровского края, проводимые специалистами Института РАН, передача в музей отдельных находок от частных лиц. Значительные археологические изыскания проводились в 1930-1931 гг. О.Н.Бадером на территории Дмитровского городища, в 1933-1934 под руководством Н.П.Милонова и в 2001-2003 гг. – специалистами Подмосковной археологической экспедиции под руководством А.В. Энговатовой.
Также за последние пять лет проводились охранные раскопки на территории Кремля в 2008 и 2011 годах, и на средневековом селище около поселка Икша в 2012 году. В ходе этих раскопок были найдены кожаный кошелек, грузик для взвешивания арабских монет (дирхемов), пробка от сосуда западноевропейского производства начала XVII века.
Археологическая коллекция отражает историю Дмитровского края начиная с каменного века. Предметы, относящиеся к поселениям племен фатьяновцев (бронзовый век), дьяковцев (эпоха железа), финно-угорского племени меря, славянских племен вятичей и кривичей, предметы эпохи Домонгольского периода истории Северо-Восточной Руси, эпохи Позднего Средневековья. Особый интерес представляют каменные орудия труда. В коллекции более 6000 предметов.