Il museo archeologico è allestito nei locali sotterranei appositamente recuperati adibiti un tempo a depositi, magazzini e vani tecnici. Essi ospitano le collezioni archeologiche e i materiali provenienti dal territorio senese, in circa 2500 metri quadrati che possono essere percorsi in una sequenza continua di grande suggestione, lungo i quali trovano posto sia le opere ordinate secondo criteri topografici, sia quelle provenienti dalle collezioni entrate progressivamente a far parte del museo senese.
Queste ultime infatti furono per la prima volta ordinate dal grande studioso senese Ranuccio Bianchi Bandinelli nel 1933, come Antiquarium comunale. Si trattava di donazioni di eruditi e nobili senesi che, già dalla metà del Settecento, confluirono nella Biblioteca degli Intronati, in cui fu costituito un primo nucleo di antichità arricchito nel corso dell'Ottocento da ulteriori lasciti e da materiali rinvenuti in città nel corso degli scavi.
A ciò si aggiunsero ulteriori donazioni come, ad esempio, quelle del marchese Piero Bargagli Petrucci e del marchese Chigi Zondadari, costituite per la maggior parte da ritrovamenti e da materiali di scavi condotti nella proprietà di famiglia.