Đây là bảo tàng khảo cổ học đầu tiên ở Việt Nam. Trên diện tích 3.700 m2, không gian trưng bày hơn 400 di vật và gần 10 di tích, chọn lọc trong số hàng chục nghìn di vật và 140 di tích từ nền móng của mảnh đất linh thiêng. Tất cả đã được các nhà khảo cổ học phát hiện, lưu giữ trong quá trình khai quật tại khu vực xây dựng Nhà Quốc hội trong hai năm 2008-2009.
Bảo tàng được thể hiện theo lát cắt địa tầng khảo cổ học với diễn biến thời gian từ xưa đến nay, bao gồm 2 không gian chính: tầng hầm 2 trưng bày thời kỳ Tiền Thăng Long – trước khi Vua Lý Công Uẩn hạ Chiếu dời đô về đây; trong khi đó tầng hầm 1 trưng bày thời kỳ Thăng Long – tức là sau 1010, sau khi Vua Lý Công Uẩn hạ đô.
Những bình gốm sứ được thu thập trong quá trình khai quật.
Ở mỗi tầng, người xem được "dẫn dắt" theo những chủ đề, những câu chuyện khác nhau như: mặt bằng nền móng kiến trúc, vật liệu kiến trúc, giếng cổ,… Và các hiện vật đều được phân nhóm theo chất liệu gốm, sành, kim loại; di cốt động vật; đồ chơi trẻ em… (tầng thời kỳ Tiền Thăng Long). Từ đồ gốm sinh hoạt, ăn trầu, hút thuốc lào, đồ sành, ngói uyên ương và chim phượng đến đời sống hàng ngày và tôn giáo ở tầng trên (tầng thời kỳ Thăng Long).
Phương pháp trưng bày lồng ghép, xen cài giữa di tích và di vật được sử dụng xuyên suốt bảo tàng. Trong đó, di tích được xem là "hồn cốt", di vật được xem là các "hạt nhân". Những câu chuyện lịch sử được phục dựng, kể lại qua những "nhân chứng" khảo cổ đầy sinh động. Bảo tàng là sự kết hợp hài hòa giữa màu sắc và ánh sáng, giữa "tĩnh" (di tích, di vật gốc) và "động" (phim – media); cùng những thủ pháp trưng bày tiên tiến, hiện đại nhất kết hợp trong một không gian đã tạo hiệu quả cao về thị giác và tâm lý.
Các các cổ vật thời kỳ trước và sau khi xây dựng Hoàng Thành Thăng Long được trưng bày tại bảo tàng.