Arheološki predmeti skupljaju se od samog osnivanja Muzeja Ponišavlja u Pirotu na području njegove delatnosti, odnosno jugoistočne Srbije. Stručni rad u muzeju počinje od 1981. godine sa dolaskom Radmile Vojnić – Džunić, a nastavlja se sa Predragom Pejićem od 1985. godine do danas. Arheološke zbirke muzeja obrazovane su, pre svega, poklonima i slučajnim nalazima, zatim arheološkim iskopavanjima i najzad otkupima. Iskopavanja su organizovana u većem broju i bila su, nažalost, isključivo zaštitnog karaktera na teritoriji opštine Pirot.

     Pomenućemo, pre svih, 17-godišnja istraživanja višeslojnog lokaliteta Pirotski grad (eneolit, gvozdeno doba, kasnoantičko-ranovizantijski period, kasni srednji vek i period pod turcima), zatim, Mađilku, Sarlah, Staro Vašarište u Pirotu; onda projekat HE Zavoj sa lokalitetima Selište i Sredselo u V. Lukanji, Kamik, Ljubavica, Livađe i manastir Sv. Nikola u M. Lukanji i crkva Sv. Vaznesenja u Zavoju; Gradište u V. Suvodolu, tu su i crkve u selima Krupcu i Izvoru i crkvište u Orlji.Pored navedenih bilo je i istraživanja na značajnim manastirima i crkvama u pirotskom kraju kao što su crkva Sv. Nikole u Staničenju, manastirima Sv. Đorđa kod Temske i Sv. Jovana Bogoslova kod Poganova sa arheološkim materijalom u muzejima u Nišu i Beogradu. Ovde valja pomenuti i značajna istraživanja arheoloških lokalitata Remesijane u B. Palanci i Gojindolskog Kalea kod Dimitrovgrada sa arheološkim materijalom u muzejskim zbirkama navedenih mesta. Istraživanja su vodili Zavod za zaštitu spomenika kulture u Nišu, Arheološki Institut, CAI Filozofskog fakulteta u Beogradu i Narodni muzej u Beogradu u saradnji sa Muzejem Ponišavlja.
     U muzeju su arheološke zbirke podeljene po hronološkom redosledu na: Praistorijsku, Antičku, Srednjovekovnu i Zbirku perioda pod turcima. Ovom odeljenju je priključena i Numizmatička zbirka.
     Praistorijska zbirka obuhvata materijal eneolitske kulture Bubanj Hum sa naselja na Pirotskom gradu i Dlbokom Dolu iz Vraništa i brnjičke kulturne grupe s kraja bronze i početka gvozdenog doba na lokalitetima Madjilka (nekropola), Sarlah (naselje), Pirotski grad (uvtdjenje) u Pirotu i Selište (naselje i nekropola) u V. Lukanji i slučajnih nalaza. Od predmeta zastupljene su prevashodno keramičke posude, zatim, kamene, koštane i metalne alatke i oružje. Obradjeno je 100 predmeta.
     Antička zbirka poseduje materijal sa utvrdjenja Pirotskog grada i Sarlaha u Pirotu; suburbiuma Madjilke i Starog Vašarišta u Pirotu; nekropola Kamika, Ljubavice i naselja Livadja iz M. Lukanje, utvrdjenja Gradište u V. Suvodolu i slučajnih nalaza. Radi se o raznovrsnom arheološkom materijalu od keramike, stakla, metala i kosti sa utvrdjenja, naselja i nekropola. Obradjeno je 106 predmeta.
      Srednjovekovna zbirka ima materijal sa utvrdjenja i nekropole na Pirotskom gradu, nekropole Gradište u V. Suvodolu i nekropole manastira Sv. Nikole u M. Lukanji i slučajni nalazi. Predmeti ilustruju materijalnu kulturu uglavnom kasnosrednjovekovnog perioda, sačinjeni su od keramike i metala i predstavljaju lokalnu radioničku proizvodnju. Obradjeno je 111 predmeta.
     Zbirka perioda pod turcima objedinjuje materijal sa utvrdjenja na Pirotskom gradu, nekropola crkava u selima Zavoju, Krupcu, Izvoru i crkvišta u Orlji, kao i slučajnih nalaza. Pored dominantnog keramičkog materijala zastupljeni su još i predmeti od metala, kosti i stakla pretežno lokalne provenijencije. Obradjeno je 73 predmeta.
     Numizmatička zbirka sadrži preko 4000 novčića; najmanje rimskih, vizantijskih, srednjovekovnih (srpskih i bugarskih), a najviše turskih, novovekovnih evropskih zemalja, jugoslovenskih zemalja, žetona i amuleta.