A la sala de Prehistòria hi ha un espai dedicat a la troballa de la mandíbula neandertaliana de Banyoles, feta l’any 1886 a les pedreres de travertí del Pla de la Formiga, entre Porqueres i Banyoles. S’hi fa també una especial referència a Pere Alsius i Torrent, farmacèutic i erudit de Banyoles, que la va identificar i estudiar per primer cop.
Les dues sales de paleolític es dediquen als grups humans caçadors i recol·lectors del paleolític mitjà (50.000-35.000 aC), paleolític superior (35.000-9.000 aC) i epipaleolític-mesolític (9.000-6.000 aC), amb els estris de pedra tallada (quars, quarsita, sílex) que fabricaven els homes de Heidelberg, de Neandertal i Sàpiens. També s’hi exhibeixen restes fòssils de la fauna salvatge que convivia amb ells, com els grans carnívors (óssos, hienes, llops, lleons i panteres de les cavernes), amb qui competien; o els grans herbívors que caçaven (mamuts, rinoceronts, cérvols, bisons, toros, cavalls i cabres salvatges). Els jaciments de referència són les diferents coves del paratge del Reclau a Serinyà, en especial les de Mollet–I, l’Arbreda, el Reclau Viver i d’en Pau, que varen ser excavades per primera vegada (1943-1973) per Josep M. Corominas i Planellas.
L’altre espai està dedicat als grups humans del neolític i de l’edat del bronze (6.000-700 aC), on es mostra l’evolució cultural que arrenca amb els primers agricultors i ramaders i acaba amb els pobles celtes del bronze final, just abans de l’eclosió del món ibèric.
S’hi aborden tant els llocs d’habitació a l’aire lliure (La Draga) com les coves d’enterrament d’aquestes èpoques al Pla de l’Estany. Els jaciments de referència d’aquest període són del Poblat Neolític de La Draga (Banyoles), situat a la vora est de l’Estany i que és un dels més antics d’Europa occidental (5.300-5.200 aC); i les coves d’enterrament del neolític, calcolític i edat del bronze de Martís (Esponellà), utilitzades entre el V-I mil·lennis aC.
Des del mes de setembre de 2021, les sales de prehistòria no es poden visitar per les obres de remodelació del museu. Disculpeu les molèsties.