Na oddelku za arheologijo skrbimo za prepoznavanje, dokumentiranje, vrednotenje, preučevanje, interpretiranje in predstavljanje arheološke dediščine Posavja s ciljem njenega čim boljšega varovanja in ohranjanja.
Arheološko zbirko Posavskega muzeja Brežice predstavljajo arheološke najdbe, dokumentacija, fotografsko in arhivsko gradivo, ki so bili pridobljeni ob raziskavah arheoloških najdišč s področja Posavja. Manjši del najdb je razstavljen v stalni arheološki zbirki, večji del pa v arheološkem depoju. Dokumentarno gradivo hranimo v arhivu, fototeki, diateki in hemeroteki.
Dosedanja prizadevanja in skrb kustosov Posavskega muzeja Brežice so pripomogla k uspešnemu ohranjanju dediščine številnih arheoloških najdišč, ki presegajo okvire lokalnega pomena in so pomembna za razumevanje nacionalne in evropske preteklosti. Med njimi so mlajšekamenodobno in zgodnjebakrenodobno najdišče Ajdovska jama, bronastodobni grobišči v Dobovi in Žadovinku, starejšeželeznodobna Libna, mlajšeželeznodobna grobišča v Dobovi in Brežicah, antični Neviodunum in Romula, zgodnjeslovanske najdbe iz Dobove, materialne ostaline srednjeveškega gradu Stari grad – Podbočje ter ostaline renesančne utrdbe Brežic.