Trưng bày này được xem là bảo tàng khảo cổ học đầu tiên của Việt Nam, chính thức đi vào hoạt động từ 19/5/2016. 400 di vật và gần 10 di tích khảo cổ hiện đang được lưu giữ, trưng bày tại đây hầu hết được Viện Khảo cổ học khai quật trong hai năm 2008 - 2009.
Tham quan trưng bày đặc biệt này, du khách sẽ đi từ tầng hầm 2 - nơi có vị trí sâu hơn, để chiêm ngưỡng các di tích, di vật thời kỳ tiền Thăng Long (thế kỷ VII - X) với diện tích gần 2.000m2. Di tích nền móng kiến trúc, giếng nước nguyên gốc, mộ ngựa, được trưng bày dưới mặt sàn vô cùng sinh động. Điều khiến các du khách thích thú là được khám phá những dấu tích của 17 công trình kiến trúc gỗ, 7 giếng nước và nhiều di vật, đồ dùng sinh hoạt từ thời Đại La, hoặc kiến trúc gỗ thời Đinh - Tiền Lê. Trong đó, nổi bật nhất là phù điêu “Bình minh Thăng Long” có kích thước hơn 15m2 được tạo dựng từ hàng nghìn viên gạch, ngói được khai quật từ thời Đại La, Đinh, Lý, Trần, Lê.Tiếp đến, du khách sẽ di chuyển lên tầng hầm 1, diện tích gần 1.700m2, tham quan không gian trưng bày những di tích, di vật Thăng Long. Nổi bật nhất là những mô phỏng về kiến trúc cung điện thời Lý, được tái tạo giống như bối cảnh khai quật. Mặt bằng kiến trúc được trình diễn bằng hệ thống 42 đèn cột ánh sáng, để gợi mở cho công chúng hình dung về 42 cột gỗ của một công trình kiến trúc Cung điện thời Lý. Không chỉ được tham quan các di vật, di tích, khách tham quan còn được tìm hiểu về lịch sử, khảo cổ thông qua các bộ phim mô phỏng 3D hiện đại. Bảo tàng thiết kế đường đi bằng kính dày, trong suốt, dưới đó là những mô tả công trường khai quật Hoàng thành khiến người xem như đang được ở trong trung tâm khai quật.Hiện nay, Bảo tàng chưa mở cửa phục vụ đại trà. Tuy nhiên, theo các DN lữ hành, nếu mở cửa đón du khách, đây sẽ là điểm đến hấp dẫn bậc nhất Thủ đô mà bất cứ “thượng đế” nào cũng muốn được đặt chân đến.
