Зал Палеонтологии и археологии состоит из двух комплексов: палеонтологического и археологического. Такой принцип организации экспозиционного пространства обусловлен взаимозависимостью и взаимосвязанностью двух фундаментальных начал – природного и антропогенного в расогенетической и социальной истории человечества.

Раздел Палеонтологии представлен богатым остеологическим материалом, фрагментами окаменевших деревьев, отпечатками насекомых, рыб и растений на сланцах. Возраст большинства экспонатов этого раздела насчитывает миллионы лет. Палеонтологические экспонаты размещены в двух центральных витринах в хронологическом порядке, по 12 геологическим периодам. Археологический экспозиционный комплекс состоит из разделов: каменного века, эпохи бронзы, раннего железного века, хунно-сарматской эпохи, средних веков и знакомит с историей, экономикой, религиозными воззрениями, художественными ремеслами, архитектурой племен, населяющих территорию Казахстана с древнейших времен до XV века. Экспонаты располагаются в тематической и хронологической последовательностях в двух уровнях. Экспозиция включает в себя археологические предметы, обнаруженные на территории Казахстана в результате работы многочисленных археологических экспедиций. Здесь представлены копии наиболее ценных археологических находок, в том числе «Золотой человек» из Иссыкского кургана, уникальные древние золотые изделия из Каргалинского и Жалаулинского кладов, реконструкции древних погребальных сооружений и хозяйственных построек, макеты сооружений средневековой архитектуры, красочные диорамы, иллюстрирующие древнейшую историю Земли. Наиболее ярким проявлением культуры ранних кочевников сакского времени являются стандартные образцы оружия, конской упряжи и предметов искусства: бронзовые блюда, котлы и жертвенники. Культуру кангюев Южного Казахстана представляют уникальные артефакты – памятники письменности из раскопок могильников и поселений долины р.Арысь IV в. до н.э.- IV в. н.э.

Средневековые кочевники – тюрки в наследство своим потомкам оставили прекрасные каменные изваяния, воинские атрибуты: роговые луки, наконечники стрел, копья, панцири, поясные бронзовые бляшки, бронзовое навершие плети в виде головы волка.

Городская культура Х—XII вв. показана в классической системе коммуникаций — кварталом с мастерскими гончаров, кузнецов, ювелиров, с водопроводом и канализацией. С VI в. н. э. по территории Семиречья и Южного Казахстана проходила трасса Великого Шелкового пути. Экспонируются предметы импорта: фрагмент медного иранского блюда, китайский фарфор, уникальный обломок фаянсовой чаши из Японии, серебренные блюдо и кувшин.

Определенное место в экспозиции отведено научно-археологическим реконструкциям (установленным в холле) – воссозданию археологически достоверных синкретических собирательных образов древних насельников Казахстана: «Костюм и аксессуары женщины андроновской культуры. XVII-XII вв. до н.э.» (автор К.Акишев), «Золотого человека. IV-III вв. до н.э.» (по новой версии А.К.Акишева изготовил К.Алтынбеков), «Вооружение и одежда знатного воина – сюнну (гунна). II в. до н.э. – I в.н.э.» (автор А.Н.Подушкин)