Teritoriul actual al orașului Turda și împrejurimile sale (în special peșterile din cheile Turzii) au fost locuite încă din preistorie. Cele 7250 de artefacte din colecția preistorică a muzeului sunt rezultatul cercetărilor întreprinse încă din ultimii ani ai secolului al XIX-lea, care au continuat în secolul următor, amplificându-se în anii 1966-1972 în peșterile și grotele din jurul Turzii şi localităţile Moldovenești, Bădeni, Deleni, Micești, Cornești. Cele mai recente săpături din apropiere comunei Sănduleşti au fost prilejuite de construirea Autostrăzii Transilvania în anul 2006.

Cele mai vechi urme de locuire în zonă, ce datează din Paleolitic – cultura musteriană – sunt reprezentate prin intermediul unor fosile.

Culturile neoliticului, Cheile Turzii-Lumea Nouă și Petrești se reflectă în colecția muzeului prin intermediul ceramicii pictate, a silexurilor și topoarelor din piatră descoperite în cea mai mare parte în peșterile din Cheile Turzii, dar și în împrejurimile orașului: Cheile Turenilor, Aiton, Moldovenești, Mihai Viteazul și Bădeni.

Fragmentele ceramice cu decor specific (incizii în formă de brăduț pe pereții vaselor, tehnica împunsăturilor succesive, brâie crestate sau anveolate) și toporașele de piatră sunt specifice perioadei de sfârșit a neoliticului și de tranziție spre epoca bronzului, eneolitic – cultura Coțofeni.

În spațiul amintit epoca bronzului este reprezentată de culturile arheologice Wietemberg și Suciu de Sus. Pe lângă numeroase fragmente ceramice cu decor geometric realizat prin incizii, cele mai spectaculoase descoperiri sunt depozitele de obiecte din bronz, realizate prin turnare. Recent, în împrejurimile Turzii la Moldovenești, respectiv Iara s-au descoperit întâmplător două astfel de depozite, ce cuprind: topoare, celturi, seceri, cuțite, brățări și pandantive, îmbogăţind colecţiile muzeului. Ambele depozite datează de la sfârșitul epocii bronzului și începutul Hallstattului, prima perioadă a epocii fierului.

În colecția muzeului se găsesc puține obiecte  din perioada de maximă dezvoltare a civilizației dacice printre care amintim câteva monede, vase ceramice de uz comun și fragmente ceramice provenite din fosta colecție Téglás. Inventarul unui morminte constând în vase ceramice, arme, obiecte de echipament și de podoabă ilustrează prezența elementelor alogene în zonă – sciții și celții.