Les sections d'archéologie et de paléontologie du musée retracent également les temps forts de l'histoire de ce territoire beauceron, des premières traces d'occupation humaine au haut Moyen Âge à sa structuration autour de l'agriculture et de l'artisanat. Traces agraires, tissage, métallurgie, pratiques alimentaires, monde des morts et rapport au surnaturel permettent d'approcher l'évolution d'Artenay et de son canton sur plusieurs siècles.

Les fouilles de sables vieux de 18 millions d'années auxquelles fut associé le Muséum d'Histoire Naturelle de Paris ont par ailleurs livré les vestiges d'une faune extraordinaire présentée dans la galerie de paléontologie : mastodontes, ancêtres de la hyène et de la girafe, derniers cervidés sans bois, rhinocéros et crocodiles.