سالن های نمایش آثار موزه ایران باستان به مساحت حدود 4800 متر شامل دو طبقه و یک طبقه زیرین است. چیدمان این آثار بر اساس گاهنگاری از پارینه سنگی قدیم (بیش از 1 میلیون سال پیش) تا پایان دوره ساسانی است.

طبقه اول در برگیرنده آثار پیش از تاریخ شامل دوره های پارینه سنگی، فرا پارینه سنگی، نوسنگی و مس و سنگ است.

طبقه همکف حاوی آثار تاریخی شامل دوره های مفرغ، عیلام، آهن، ماد، هخامنشی، سلوکی، اشکانی و ساسانی است.

موزه دوران تاریخی

دوره پارینه سنگی قدیم

کهن‌ترین دست ساخته‌های انسان از مکان‌های باستانی کشف‌رود در خراسان، گنج‌پر و غار دربند در گیلان و شیوه‌تو در مهاباد به دست آمده و شامل ابزارهای مربوط به دوره پارینه سنگی قدیم است که بیش از یک میلیون تا دویست هزار سال قدمت دارد. انسان‌های اولیه از این ابزارها برای شکستن استخوان، بریدن پوست و گوشت، تراش چوب و ساخت ابزارهای دیگر استفاده می‌کردند.

دوره پارینه سنگی میانی

دوره پارینه سنگی میانی پیش از دویست هزار سال قبل آغاز شد و تا حدود چهل هزار سال پیش به طول انجامید. انسان نئاندرتال و احتمالا انسان مدرن اولیه در همین دوران در ایران می‌زیستند. آثار این دوره شامل ابزارهای ساخته شده از سنگ چخماق و بقایای سنگواره جانوران یافت شده در غارها، پناهگاه‌ها و مکان‌هایی چون غارهای کنجی و قمری، نیاسر و قلعه بزی است.
از ابزارهای مهم این دوره انواع خراشنده و ابزار نوک تیز است که برای قصابی لاشه شکار، آماده‌سازی پوست و کارهایی ازاین دست استفاده می‌شده است.

دوره پارینه سنگی جدید

دوره پارینه سنگی جدید که حدود ۴۰ هزار سال پیش آغاز شد و ۲۰ هزار سال پیش به پایان رسید. در این دوره ساخت ابزارهای سنگی از تیغه و ریزتیغه رواج یافت و در کنار آن‌ها استفاده از ابزارهای استخوانی و تزئینات شخصی مانند آویز صدفی، دندان حیوانات و همچنین گل اخرا به عنوان مادۀ رنگی نیز متداول شد.

دوره فرا پارینه سنگی

مشخصه‌های دوره فراپارینه سنگی ابداع ابزارهای ترکیبی، کاربرد سنگ ساب و ذخیره‌سازی مواد خوراکی است. این دوره از حدود ۲۰ هزار سال پیش آغاز می‌شود و در حدود ۱۲هزار سال پیش با اتمام عصر یخبندان به پایان می‌رسد.

دوره روستانشینی (نوسنگی)

در دوره نوسنگی جوامع انسانی به تدریج یکجانشین شدند و نخستین روستاها را بنا نهادند. از ابتدای این دوره آثار معماری مشهودی به دست نیامده و فقط بقایای اجاق و حفره‌های کوچکی پیدا شده که احتمالا برای ذخیره‌سازی آذوقه به کار می‌رفته، اما با گذشت زمان سه نوآوری در جوامع نوسنگی به وقوع پیوسته است:
استقرار دائم، تحول در شیوۀ معیشت (اهلی کردن بز و گوسفند و پرورش غلات) و تولید ظروف سفالی و سنگی.
باستانشناسان بر این باورند که نخستین نمونه سفال در غرب ایران ظاهر شده است. سفال‌های اولیه بیشتر ساده و زمخت بودند، اما با گذشت زمان بر ظرافت آنها افزوده شد و سفالگران سطح آن‌ها را با نقوش هندسی، گیاهی، جانوری و انسانی تزئین کردند.
در این دوره برای درو کردن غلات از داس‌های استخوانی با تیغه‌های سنگی استفاده می‌کردند. نوآوری دیگر در این زمان ساخت پیکرک‌های انسانی و جانوری از گل و در مواردی از سنگ است. یکی از مهمترین پیکرک‌های انسانی گلی از تپه سراب کرمانشاه به دست آمده که بیش از نه هزار سال قدمت دارد و به الهه باروری مشهور است. پیکرک‌های جانوری این دوره غالبا شامل گونه‌های بز یا گوسفند، سگ سانان و گراز است.

دوره مس و سنگ

با پایان مرحله نخست زندگی روستانشینی (دورهٔ نوسنگی)، مرحله دوم موسوم به دورۀ مس و سنگ آغاز می‌شود. از ویژگی‌های این دوره تحولات گسترده اقتصادی، اجتماعی و فناورانه مانند تولید تخصصی سفال، ساخت چرخ سفالگری و کوره‌های پیشرفته پخت سفال، استفاده از مس در ساخت ابزار، ظهور و بروز نابرابری‌های اجتماعی، شکل‌گیری و تثبیت طبقات اجتماعی، تولید کالاهای تجملی و شکل گیری شبکه مبادلات نسبتا گسترده کالاهاست.

از اواخر این دوره ساخت و استفاده از مهرهای مسطح آغاز شد که نشان دهنده پیدایش مالکیت خصوصی و مبادلات منطقه‌ای و فرامنطقه‌ای است. مهرهای اولیه از گل پخته، سنگ‌های رسوبی و قیر طبیعی ساخته می‌شد و اغلب نقوش ساده هندسی داشت. به تدریج مهرهایی با نقوش گیاهی، جانوری و انسانی نیز ساخته شد. نقوش را به شیوه کنده کاری بر روی مهرها حکاکی می‌کردند و پس از فشردن مهر بر گل، به صورت برجسته بر سطح آن آشکار می‌شد.

علاوه بر ساخت مهرها، ساخت و استفاده از دیگر اشیا گلی مانند اشیا شمارشی یا ژتون‌ها، اشیا ریسندگی یا سردوک‌ها و پیکرک‌ها نیز در این دوره متداول بوده است.

موزه دوران تاریخی

دوره مفرغ

عصر مفرغ (۳۰۰۰ تا ۱۵۰۰ پیش از میلاد) دوره‌ای از تاریخ ایران است که مهم‌ترین دستاوردهای آن، استفاده گسترده از آلیاژ مفرغ و همزمان با آن برداشتن اولین گام‌ها برای تشکیل حکومت است. فناوری دستیابی به آلیاژ مفرغ (آمیزه‌ای از مس و قلع) به تولید گسترده دست آفریده‌های مفرغی مانند ظرف، جنگ افزار، زین و یراق اسب، پیکره‌های انسانی و جانوری، آثار تزئینی و آئینی مانند سر سنجاق، بازوبند و گردنبند و سرعلم‌ها منجر شد.

دوره عیلام

تمدن عیلام نخستین و شناخته شده‌ترین تمدن در ایران است. عیلامی‌ها نخستین شهرها را در جنوب غرب ایران (خوزستان و فارس) بنا کردند. تاریخ تمدن عیلام به چهار دوره آغاز عیلامی (حدود ۳۳۰۰ تا ۲۷۰۰ پیش از میلاد)، عیلام قدیم (۲۷۰۰ تا ۱۵۰۰ پیش از میلاد)، عیلام میانه (۱۵۰۰ تا ۱۱۰۰ پیش از میلاد) و عیلام نو (۱۰۰۰ تا ۵۳۹ پیش از میلاد) تقسیم می‌شود. از هر چهار دوره در تاریخ عیلام آثار فراوانی برجای مانده اما دورۀ عیلام میانه اوج شکوه این تمدن به حساب می‌آید.

زیگورات چغازنبیل و مجموعه بناهای اطراف آن از مهم‌ترین بقایای معماری این دوره است و آثار مهمی چون پیکره سفالی گاو با کتیبه‌ای بر پشت آن، لوله‌های شیشه‌ای، آجر نبشته‌ها و گل میخ‌های کتیبه‌دار از این دوره در تالار موزه به نمایش درآمده است.

با آنکه عیلامی‌ها شیوه نگارش خاص داشتند، در حدود ۲۲۰۰ پیش از میلاد خط میخی را که به دلیل نگاره‌های میخ مانند آن به این نام خوانده می‌شود، از همسایگان غربی خود در بین النهرین برگرفتند، با زبان خود انطباق دادند و به کار بستند. از آن پس در عیلام دو خط عیلامی و اكدى (و گاهی سومری) به منظورهای گوناگون به کار رفته است.

عصر آهن

عصر آهن حد فاصل دوره مفرغ و امپراتوری هخامنشی در تاریخ ایران با نام عصر آهن شناخته شده است که ویژگی فنی آن آشنایی با چگونگی ذوب فلز آهن است. نکته دیگری در مورد این دوره زمانی گسترش توانمندی سفالگران در ساخت فرم‌های متنوع و جانوری است که نمونه‌های آن از کرانه‌های دریای مازندران تا گیلان و تالش در گورستان‌های متعدد به دست آمده است.

ویژگی‌های مشهود عصر آهن الگوهای تکرار شونده در آئین تدفین است که به نظر می‌رسد متاثر از اعتقاد به زندگی پس از مرگ بوده که به قرارگیری اشیا فراوان درون گورها می‌انجامد. دستیابی به فن ساخت اشیاء آهنی به ویژه در زمینه تولید جنگ افزار، زیورآلات و ادوات کشاورزی، دلیل اصلی نام گذاری این دوره است، گرچه هنوز فلز مفرغ بیشترین استفاده را داشته است. وجود بقایای بسیار از تدفین اسب با زین و یراق مفرغی (گاه در کنار تدفین‌های انسانی و گاه به صورت منفرد) نشان از همراهی تاثیرگذار اسب و انسان در این دوره دارد.

حکومت‌های بومی فراوانی در این بازه زمانی شکل گرفت که از برخی از آنها اطلاعاتی محدود در حد نام و حدود قلمرو و از برخی دیگر مانند ماناها (در جنوب دریاچه ارومیه) آثار شاخصی باقی مانده است. البته همۀ این حکومتها بعدها در درون پادشاهی ماد ادغام شدند و زمینهٔ تشکیل امپراتوری هخامنشی را فراهم آوردند.

دوره هخامنشی

امپراتوری پارسی هخامنشی که در حدود ۲۵۰۰ سال پیش شکل گرفت، در گسترده‌ترین شكل جغرافیایی‌اش از دریای اژه و مدیترانه و مصر در غرب تا هند و کوه‌های هندوکش را در شرق در بر می‌گرفت. اسناد به جای مانده از دوره هخامنشی نشان دهنده به کارگیری خط در دستگاه حکومتی آنان در سطح وسیعی است. در این اسناد مدارک گسترده حسابداری و مدیریت، حقوق و دستمزد کارگران و سایر جزئیات مدیریتی این دوره به چشم می‌خورد.

داریوش بزرگ برای نخستین بار در ایران سکه ضرب کرد و هنرهای گوناگون به ویژه سنگ‌تراشی و فلزکاری در این دوره شکوفا شد. نقش برجسته بارعام تخت جمشید، ستون سنگی با سرستون به شکل دو گاو پشت به هم، تندیس سنگی بدون سر داریوش که بر پایه‌ای استوار است و به فرمان وی در مصر ساخته شده و پیکره سنگی بدون سر پنه‌لوپه نمونه‌های شاخص این دوره‌اند. در این دوره، با استفاده از سنگ لاجورد و نوعی خمیر معروف به آبی مصری نیز اشیایی ساخته شد مانند پیکرۀ شیر نشسته و گاو از سنگ لاجورد و سردیس شاهزاده هخامنشی و ظروفی از خمیر آبی مصری.

دوره سلوکی