Le département Archéologie est installé dans les deux niveaux de caves voûtées de l'hôtel de Francqueville. Sont évoquées la préhistoire, l'archéologie classique (Etrurie, Grèce) et celle de l'époque gallo-romaine dans le Nord de la France. Deux thèmes sont traités : la céramique et le monde funéraire.
L'époque mérovingienne est représentée essentiellement par des objets provenant de sites des environs de Cambrai, Les-Rues-des-Vignes et Busigny, fouillés en 1986. Contrairement à l'époque gallo-romaine, tous les objets (bijoux et parures, fibules et plaques boucles, armes et céramiques) ont été retrouvés en contexte funéraire.
Ce département se termine par une section d'ostéo-archéologie qui raconte les aventures du corps pour mieux comprendre l'homme du Moyen Age. La représentation reprend les pistes d'investigation de l'ostéo-archéologue dans son laboratoire : la paléo-démographie qui consiste à déterminer l'âge de l'individu à son décès et son sexe ; la paléo-pathologie qui permet de retrouver la trace des maladies, des souffrances et des handicaps qui marquent la vie d'un homme et d'une société. Squelette et ossements révèlent de nombreux indices sur l'activité d'un individu ou l'environnement dans lequel il a vécu.