La collezione preistorica raccoglie attualmente
225.000 reperti catalogati, riferiti ad un arco cronologico che si estende dal Paleolitico Medio alla prima età del Ferro, frutto delle ricerche e dei ritrovamenti condotte in oltre 130 località del
territorio friulano. Comprende:
- materiali litici (selce, ossidiana, pietra verde, pietra pesante),
- recipienti e oggetti d’arte in terracotta,
- manufatti in osso e in materia dura animale (osso, corno, palco),
- reperti in metallo,
- ossa animali,
- resti antropologici.
La prima serie inventariata in collezione è da riferire alla Grotta di Robič, cavità posta poco a nord del valico di Stupizza ora in Slovenia, che Achille Tellini, naturalista friulano, indagò nel 1894. A seguire entrarono in collezione altri materiali provenienti da varie grotte delle Valli del Natisone, come ad esempio Velika Jama, Ciondar des Paganis, Fòran di Landri e Šuošterjova Jama, che furono oggetto di scavo da parte dei soci del Circolo Speleologico e Idrologico Friulano nei primi decenni dello scorso secolo e che di recente sono divenuti oggetto di un nuovo progetto di ricerca.
In seguito a ricerche condotte sul campo, la sezione custodisce i materiali di un altro sito ubicato nelle Valli del Natisone, il Riparo di Biarzo, e di alcuni siti neolitici posti in pianura, come Sammardenchia (Pozzuolo del Friuli) e Piancada (Palazzolo dello Stella) e Nogaredo al Torre.
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