La sezione dedicata alla Preistoria e alla Protostoria custodisce i reperti risalenti a questi due periodi storici riportati alla luce durante gli scavi archeologici condotti nel territorio calabrese, di cui quelli più antichi risalgono a 600.000 anni fa.
All'ingresso della sala sono collocati due diorami che rappresentano scene di vita delle popolazioni del paleolitico medio e superiore, cui segue la riproduzione dell'incisione raffigurante il "Bos Primigenius", un bovide risalente a circa a 11.000 anni fa.
Accanto all'incisione è esposta una tomba contenete gli scheletri di due individui di sesso opposto, di cui quello femminile passa il braccio sinistro intorno al collo del giovane uomo deforme per rachitismo.
Il percorso segue con l’esposizione di un altro diorama raffigurante scene di vita del Neolitico, seguito da vetrine contenenti oggetti in terracotta, bronzo e ferro, che vanno dal Neolitico alle età successive.
Da non perdere la visita alla collezione riguardante le colonie della Magna Grecia, ripartita su due piani dell'edificio, di cui quella relativa agli scavi di Locri Epizephyrii è custodita nella sezione riguardante la Preistoria e la Protostoria.
Nelle prime due sale sono esposti oggetti provenienti dalle tombe della necropoli arcaica e greca di contrada Lucifero, tra cui piccoli altari in terracotta per uso domestico, specchi in bronzo, oggetti usati per l'ornamento femminile o legati alla cosmesi, e un cocchio in bronzo in miniatura.
Segue il materiale riportato alla luce durante gli scavi condotti sulla collina della Mannella, dove fu individuato il Persefoneion o Santuario di Persefone; vi sono oggetti collocabili tra il VI e il V secolo a.C., tra cui i noti Pinakes, la testa femminile con capelli dorati, i vasi a forma di menade danzante e di lepre, la maniglia in bronzo con testa in cavallo e ariete, e la maschera in terracotta.
La sezione accoglie anche le lastre in terracotta dipinta della decorazione del lato frontale del tempio detto di casa Marafioti, nonché il gruppo in terracotta raffigurante un giovane cavaliere nudo, su un cavallo rampante, che ha sotto di sé una sfinge accosciata la quale, con le mani, gli sostiene i piedi.
Di notevole interesse artistico è la collezione di Pinakes, ossia dei quadretti in terracotta decorati da bassorilievi, un tempo offerti per devozione a Persefone, la dea rapita dal dio dell'oltretomba Hades.
Segue la sala dell'archivio del tempio di Zeus, contenete reperti risalenti al periodo compreso tra il IV e il III secolo a.C., corrispondenti a trentanove tavolette in bronzo iscritte.
Una sala è dedicata a quanto rinvenuto in contrada Marasà, e più precisamente il basamento di un tempio in stile ionico, e le sculture del gruppo dei Dioscuri collocabili tra il 420 e il 380 a.C. , che un tempo si ipotizza fossero collocate sul frontone del tempio.