Arheološka zbirka Gradskog muzeja sadrži arheološke nalaze (najčešće od keramike, kamena, metala, stakla) prikupljene većinom arheološkim iskopavanjima, a manje obilaskom terena otkupom ili poklonom. Arheološki nalazi potječu s nalazišta iz Virovitice i okolice u vremenskom rasponu od pretpovijesti do kasnog srednjeg vijeka. O Arheološkoj zbirci od 1986. godine brine kustos arheolog Silvija Salajić, ujedno i prva stručna osoba za arheologiju od osnutka Muzeja.

Najstariji izlošci u stalnom postavu pripadaju neolitiku (6000 – 3500 godine prije Krista). Najstarija kultura iz tog razdoblja mlađeg kamenog doba je starčevačka kultura, poznata po nalazištu u Pepelanama. Tamo je 1984. godine uz rječicu Brežnicu iskopan dio zemunice s pripadajućom keramikom jednostavnih ukrasa, za svakodnevnu upotrebu, ali i žrtvenik i slikana keramika (geometrijski motivi). Od litičkog materijala zastupljeni su žrvnjevi, sjekire, nožići, strugala, svrdla. Slijedi kultura Malo Korenovo iz Špišić Bukovice, sopotska kultura (Pepelane tip i brezovljanski tip) sa sličnim kamenim izrađevinama, ali s različitim ukrasima na keramici, što određuje njihovu kulturnu pripadnost.

Lasinjska kultura je jedna od kultura koja obilježava eneolitik. Kod nas je ustanovljena u Jasenašu. Iskopavanje nam je pružilo uvid u raznolik inventar jama koje su se nalazile uz nadzemne kuće i zemunice. A nalaz figure psa u jednoj od njih nam svjedoči da se stanovništvo osim poljoprivrede bavilo i stočarstvom.

Iz ranog brončanog doba sačuvani su keramički ulomci iz Retz Gajary kulture s devetog ribnjaka u Virovitici.

Pod nazivom Virovitička grupa krije se najstarija faza Kulture žarnih polja u kasnom brončanom dobu (13. st. pr. Krista) ustanovljena u Virovitici, na ciglani Nemeček. Kultura žarnih polja i ovdje ima sve karakteristike, kao na ostalim nalazištima u srednjoj i južnoj Europi. To su groblja paljevinskog tipa s pohranom pepela u urne s brončanim prilozima, koji su nekada pripadali pokojniku. U Gradskom muzeju sačuvane su brončane igle i manji bodež. Tipovi i oblici posuda su vrlo raznoliki, izrađeni rukom, najčešće s bradavičastim ukrasom.

Dolazak Kelta na naše prostore donosi nove promjene, od kojih je najznačajnije lončarsko kolo i kovanje novca. Od 1993. godine traje iskopavanje keltske nekropole u Zvonimirovu. U Muzeju su izloženi dijelovi jednog ratničkog groba iz 3.st. pr. Krista.

Osvajanjem i osnivanjem provincije Panonije u 1. stoljeću od strane Rimljana započinje, za ove prostore, novo razdoblje. Rimsko doba (1.-5. st.) je najviše zastupljeno s nalazima iz Orešca, gdje se nekad nalazio rimski Bolentio, naselje uz magistralnu cestu Poetovio-Mursa (Ptuj-Osijek) zabilježen na Peutingerovoj karti. Sačuvan je nakit od staklene paste, brončane fibule (kopče), ključ, zvonce, keramičke posude i ulomci fresaka. Staklene zdjelice potječu iz Požara u Virovitici, a kasnoantička, lukovičasta fibula i novčići cara Konstantina iz groba rimskog vojnika na prvom ribnjaku. Nalazi iz Virovitice upućuju na rimski Sirotis, također zabilježen na karti, ali još neistražen. U Špišić Bukovici je bila rimska postaja Cucconis, vjerojatno samo prenoćište za kratak odmor i promjenu konja na dugom putu.

Srednjovjekovno razdoblje je obilježeno bjelobrdskom kulturom iz 11. stoljeća. Luksuzne, lijevane brončane i srebrne naušnice, karičice, prsteni i privjesci pronađeni su iskopavanjem kosturnog groblja na redove u Zvonimirovu. Sačuvane su brončane karičice sa S-završetkom bjelobrdske kulture s prvog iskopavanog lokaliteta u Starom Gracu 1953. godine.

Pored iskopavanja u Zvonimirovu, gdje se pronalaze keltski i bjelobrdski grobovi u tijeku je i iskopavanje sakralnog, srednjovjekovnog objekta i groblja na lokalitetu Kliškovac u Suhopolju koje vrši Institut za arheologiju u Zagrebu.

Zadnjih desetak godina polaže se više pažnje srednjovjekovnoj virovitičkoj utvrdi, čije iskopavanje je u tijeku u okviru obnove Gradskog parka u Virovitici. Iskopavaju se dijelovi utvrde iz 15. i 16. stoljeća.

Do sada je pronađen ulaz u podzemni prolaz, piloti mosta i drveni kolci isprepleteni šibljem koji su štitili jarak od obrušavanja, sve na južnom opkopu, prije proširivanja i izgradnje gradskog bazena 1991. godine. Zatim je otkopan zapadni ulaz u utvrdu s ostacima bedema iz 15. stoljeća, zatrpan 1946. godine. Ispred zazidanog ulaza je grof Pejačević postavio svoj obiteljski grb kojeg pridržavaju heroldi (srednjovjekovni čuvari grba), isklesani u kamenu. U Muzeju su pored grafičkih prikaza virovitičke utvrde izložene keramičke posude i pećnjaci, kamena i olovna kugla, te drška noža od obrađene kosti.

Dosad je inventirano oko 2.700 nalaza, no budući da su arheološka istraživanja još uvijek u tijeku, broj predmeta je u kontinuiranom porastu.