Archeologická expozice v Dolních Věstonicích je v roce 2022 uzavřena z důvodu rekonstrukce.
Archeologická expozice podává přehled poznatků o archeologických lokalitách ze starší doby kamenné, které byly zkoumány v katastrech Dolních Věstonic a sousedního Pavlova. Světovou proslulost věstonickému nalezišti přinesly systematické výzkumy, které v letech 1924 - 1938 prováděl Karel Absolon. K jeho nálezům patří také jedinečná Věstonická venuše, soška ženy z pálené hlíny. Další rozsáhlé výzkumy mezi lety 1947 - 1978 vedl Bohuslav Klíma v blízkosti předešlých poloh, ale také v sousedním Pavlově, od něhož je odvozováno pojmenování celé tehdejší archeologické kultury (pavlovien, starší fáze gravettienu, 30 000-25 000 let před současností). Rozsáhlé výzkumy záchranného charakteru probíhaly v osmdesátých letech. V současnosti jsou realizovány výkopy v terénu a zpracování výzkumů z minulých desetiletí pod vedením Jiřího Svobody Archeologického ústavu Akademie věd České republiky v Brně.
Starší část expozice (1. patro) poskytuje informace o jednotlivých fázích vědeckých výzkumů a ilustruje metody bádání. Dokumentovány jsou geologické a pedologické poměry na severovýchodním předpolí Pavlovských vrchů, rostlinstvo a zvířena dob ledových. Předvedeny jsou kamenné a kostěné předměty s náznakem technik jejich výroby. Zastoupeny jsou ukázky kosterních pozůstatků tehdejších lidí a také významné nálezové situace. Zvláštní pozornost je věnována umělecky zpracovaným výrobkům (např. čelenky, náhrdelníky) a plastikám z kostí a hlíny.
Novější část expozice (přízemí) vychází z objevů posledních let. Prezentovány jsou aktuální poznatky o vývoji člověka. Představu o možnostech interpretace nálezových situací na různých nalezištích doplňuje rekonstrukce paleolitického obydlí. Zvláštní místo má rekonstrukce hrobu tří mladých jedinců, nalezeného v Dolních Věstonicích v roce 1986 a výklad o antropologickém výzkumu věstonické populace. Zpřístupněny jsou výsledky vědeckého experimentu, který byl zaměřen na srovnání postupů pravěkých tvůrců a současných lidí při výrobě hliněných plastik. Zajímavé jsou doklady přípravy barev, které do současnosti ulpívají na drtičích a kamenné podložce po téměř třiceti tisíciletích. Předvedeny jsou také doklady broušení kamenných oblázků a otisky textilií, nejstarších v dějinách lidstva.