Археологическое собрание Нижнетагильского музея-заповедника является наиболее значительным по количеству и включает в себя предметы мирового значения. В фондах хранится почти 220 тысяч предметов более чем с 230 памятников археологии, относящихся к различным эпохам - от палеолита до нового времени. Большинство из них находится на территории города, а также Пригородного и Верхнесалдинского районов.
Топография расположения объектов разнообразна. Выявленные памятники располагались на болотах и прибрежных отмелях озер, на коренных берегах озер и рек, в пещерах, а также на склонах и вершинах гор.
В настоящее время в фондах хранятся материалы экспедиций Нижнетагильского музея, Государственного исторического музея, Уральского государственного университета, Пермского государственного университета, Института археологии Российской Академии Наук и Нижнетагильского государственного педагогического института.
Руководителями разведок и раскопок, при проведении которых были получены коллекции, были А.Н. Словцов, Д.Н. Эдинг, О.Н. Бадер, Н.П. Кипарисова, П.Э. Рикерт, А.И. Россадович, В.Ф. Старков, Ю.Б. Сериков, Г.В. Бельтикова, П.К. Халяев, В.М. Морозов, Н.В. Варанкин, С.Г. Пархимович, В.А. Арефьев, А.С. Литвяк, О.Н. Рыжкова и др. Кроме того, к открытию многих памятников причастны краеведы и местные жители, которые передавали находки в музей.
В фондах имеются коллекции с археологических памятников различного типа - с местонахождений и стоянок, поселений и городищ, со святилищ и мастерских, с древних плавильных мест и с металлургических заводов XVII-XVIII веков.
История формирования археологической коллекции музея-заповедника неразрывно связана с археологическими исследованиями XIX века на территории Среднего Зауралья. Хотя из разведок и раскопок того времени находки в Тагильский музей не поступили, выявленные памятники стали основой для дальнейших исследований.
Одними из первых на Урале археологическими разведками занялись жители города Нижнего Тагила, двоюродные братья - штатный смотритель и преподаватель Выйского училища Иродион Матвеевич Рябов и служащий денежного отделения заводоуправления - Дмитрий Петрович Шорин. В 1830-1870-х годах ими были проведены исследования памятников на Кокшаровском кургане, курганах на реке Полуденке, плавильном месте у села Лая, Буксинском городище на реке Прокопьевской Салде, найдены и зарисованы писаницы на реках Тагил и Сылве. Материалы исследований Шорина и Рябова опубликовали в "Пермских губернских ведомостях", рукописи и находки были приобретены Уральским обществом любителей естествознания (УОЛЕ) и Императорской археологической комиссией.
В начале ХХ века значительными событиями стало открытие в 1908 году остатков свайных поселений на Горбуновском торфянике Н.Ф.Топорковым и в 1909 году жертвенного места на Голом Камне, открытого его сыном - С.Н.Топорковым. О своих находках они сообщали в Уральское общество. Приезжавшие по поручению общества в Нижний Тагил М.О. Клер и В.Я.Толмачев полученные материалы передали в музей УОЛЕ.
Эти первые выявленные и обследованные памятники археологии Тагильского округа позже неоднократно исследовались экспедициями музея, и полученные коллекции находок составляют гордость археологического собрания музея-заповедника.
С воссозданием в марте 1924 года Тагильского окружного музея достаточно остро встала задача освещения древней истории края. Археологические исследования тесно связаны с деятельностью членов Тагильского общества изучения местного края, в том числе первого директора музея А.Н. Словцова. В июне 1924 года были произведены раскопки на реке Полуденке под руководством С.Н. Топоркова, а в сентябре - под руководством А.Н. Словцова. Летом этого же года С.Н.Топорковым, Ф.К.Францевым, И.Т.Шубертом и В.И.Станкевичем обследуется 6-ой разрез Горбуновского торфяника. В 1920-е годы С.Н. Топорковым, И.Т. Шубертом, В.И. Иванченко были переданы в музей находки с горы Голый Камень, с Невской улицы на Гальянке, с Макинского торфяника. В это же время поступают археологические материалы из других районов, входивших в Тагильский округ.
С 1926 года на территории округа начинает работы совместная Уральская экспедиция Государственного исторического и Тагильского окружного музеев. Руководителем экспедиции является Д.Н. Эдинг. От Тагильского музея, в фонды которого поступила часть материала, в работах принимает участие М.А. Зылева, а позже А.И. Калинина. С тех пор сотрудничество, ревоначально обусловленное отсутствием своих профессиональных археологов, стало обычной практикой.
Начавшаяся Великая Отечественная война останавливает работу Уральской экспедиции.
С середины 1940-х годов исследования в Тагильском районе стали проводить оказавшиеся в годы войны в городе Нижнем Тагиле профессиональные археологи О.Н. Бадер и Н.П. Кипарисова, которыми были исследованы не только уже известные памятники, но и вновь открытые - Полуденка 2, Ермаково городище, 2-ая Береговая, грот на Медведь-Камне. В 1954-1955-х годах П.Э. Рикертом были найдены такие памятники, как Гальянская палеолитическая, Крутяки 1,2,3, Чащиха, Леба. В эти же годы возобноввилась работа экспедиции ГИМ под руководством А.Я. Брюсова, а позже - В.М. Раушенбах.
Новый этап исследований и формирования археологического собрания музея начался с середины 1950-х годов. Связан он с деятельностью А.И. Россадович со значительным участием и краеведов И.А. Орлова и Е.А. Сокирко. Почти ежегодно музей проводил самостоятельные экспедиции - разведки вокруг города, по рекам Лая, Тагил, Межевая Утка, на Кокшаровском и Шигирском торфяниках. Проводились исследования, как ранее известных, так и вновь выявленных памятников- Лая, Ермаково городище, Медведка, Леба, Кокшаровский холм и Юрьинское поселение, Мурино, Синяя гора, Ольховка, Лебяжка и др. Памятники для проведения раскопок выбирались так, чтобы в фондах музея присутствовали коллекции всех эпох. Кроме того начались систематические исследования памятников становления и развития металлургического производства на Урале. В рамках этой темы с 1971 года А.И. Россадович начинает разведки и раскопки заводов ХVII-ХVIII веков. В 1964-1966 годах в Нижнем Тагиле работает В.Ф.Старков, под руководством которого не только проводится разведка по реке Тагил, но и исследуются памятники Юрьинское поселение, Кокшарово 1, Махтыльский холм. Материалы с раскопок в конце 1970-х годов на 6-ом разрезе Горбуновского торфяника В.Ф.Старков также передает в фонды Тагильского музея.
С началом работы в 1970 году в музее Ю.Б.Серикова значительно расширились разведки по сплошному обследованию местности: по рекам Тагилу, Баранче, Серебрянке, Межевой Утке, Чусовой, Туре, а также на Черноисточинском пруду (ранее озере), на Горбуновском, Полуденском, Кокшаровском и Шигирском торфяниках. Были исследованы памятники эпохи мезолита и палеолита - Крутяки 1, Голокаменская мезолитическая мастерская, Выйка 2, Гари, Исток 2 и 3 и др. Прошли успешные разведки по выявлению торфяниковых памятников.
В конце 1970-ых годов начали проводить разведки, а позже и раскопки П.К. Халяев и В.А. Арефьев. Ими были исследованы памятники 3-я Береговая стоянка на Горбуновском торфянике, Мурино, 6-я Береговая, Малая Горка 2 на Полуденском торфянике. В конце 1970-х - начале 1980-х годов на памятниках Тагильского Зауралья проводили раскопки сотрудники Уральского государственного университета Г.В. Бельтикова, Н.В. Варанкин, С.Г. Пархимович, В.М. Морозов. Материалы с исследованных ими памятников - Голого Камня, Ермакова городища, деревни Вогулки хранятся в Тагильском музее. В1990-е годы в фонды были переданы коллекции с археологических памятников, исследованных А.С. Литвяком и О.В. Рыжковой - горы Лубной и 2-ой Береговой стоянки.