Colecția de epocă romană (24.526 de bunuri culturale) s-a constituit preponderent cu artefacte rezultate în urma cercetărilor arheologice sistematice în castrul legiunii V Macedonica şi a supravegherilor arheologice în Turda și împrejurimi. În ciuda faptului că timp de câteva secole (XVI-XIX) colecționarii de antichităţi din Turda au fost singurii care au salvat piese de mare valoare istorică, artistică și documentară, doar câteva sute de obiecte din colecțiile cunoscute ale lui József Kemény, Imre Bótar și István Téglás se regăsesc azi în patrimoniul muzeului.

După deschiderea muzeului în 1951 lucrările edilitare din oraș au contribuit la îmbogățirea patrimoniului noului muzeu. Se remarcă descoperirile din Piața Romană (prilejuite de construcția Școlii Generale nr.3), descoperirile de morminte din necropola sudică a Potaissei (punctul “Uzina de Apă”), morminte dezvelite pe Dealul Șuia. Numeroase descoperiri izolate s-au făcut în această perioadă pe strada Traian, Romană sau Cheii. În ultimele decenii ale secolului XX s-au executat și săpături de salvare pe Dealul Șuia (1978), punându-se în evidență un complex roman de producere și păstrare a vinului, iar în perioada 1983-1990 s-au supravegheat arheologic lucrările edilitare pe strada Libertății. De asemenea, în aceşti ani s-au realizat lucrări pe strada Panait Cerna, Bălcescu, Ana Ipătescu, Romană, Cheii, etc. care au dus la descoperirea unor piese importante.

Cercetările arheologice sistematice, întreprinse în castrul Legiunii V Macedonica fără întrerupre din 1971 şi până în prezent, au scos la lumină un bogat şi valoros material arheologic, care a intrat în patrimoniul muzeului. Astăzi colecția de epocă romană reprezintă peste 60% din cele cca 40.000 de obiecte. Acest patrimoniu, expus publicului în cea mai mare parte, este reprezentat de piese specifice de echipament militar şi armament; monede şi podoabe din aur, argint şi bronz; sculpturi și inscripții de piatră; materiale tegulare şi ceramică. De altfel, o cantitate impresionantă de piese ceramice – vase de uz comun sau de lux, jucării, opaițe, unelte de olar – precum şi  obiecte mărunte din bronz și os; fibule şi monede provin de pe „Dealul Zânelor”. Descoperiri au fost prilejute de construcția șoselei DN1 Turda – Alba Iulia (1964), dar mai ales de cercetările de salvare întreprinse în viile de pe panta sud-estică a dealului în anii 2005-2006.

Extinderea zonei protejate cu potenţial arheologic la Turda în ianuarie 2013 a determinat intesificarea supravegherilor arheologice sau a cercetărilor preventive în oraş, ceea ce a dus la descoperiri importante, atât de artefacte (e.g. tezaurul roman din 543 de denari; o farfurie şi un sfeşnic din bronz), cât şi de complexe de locuire (str. Sănduleşti, Piaţa  Romană, str. Augustin Bunea).