La colección arqueológica del Museo Cerralbo se compone de más de 200 piezas y abarca desde la Prehistoria hasta la Edad Media. La mayoría pertenecen a las culturas del Mediterráneo: fenicios, púnicos, íberos, griegos y romanos, entre otros.
Por su cantidad, destacan las piezas de la Antigüedad clásica, de Grecia y Roma, pero también abundan los objetos de la Edad del Hierro, relacionados con los intereses arqueológicos del marqués de Cerralbo, cuya labor como arqueólogo se centró principalmente en este periodo cronológico.
Se trata de objetos muy variados, realizados en diferentes soportes, tanto orgánicos como inorgánicos, piedra, metal o textil, e incluyen útiles y herramientas, adorno personal, ajuar doméstico, armamento, etc.
Algunos ejemplos señalados son los útiles líticos prehistóricos como las hachas pulimentadas con enmangues de asta procedentes de la estación palafítica de Schaffis (Suiza); las cerámicas campaniformes tipo Ciempozuelos de la Edad de Bronce; los vasos griegos de figuras rojas, negras y de barniz negro; la Diana cazadora procedente, según Juan Cabré, de la ciudad romana de Clunia (Burgos).
Estos objetos son fruto del afán coleccionista del marqués de Cerralbo, que adquirió las piezas en el mercado de antigüedades y, en algunos casos, como regalos personales. Algunos de ellos le servían para estudiar paralelismos con los hallazgos que realizó en el área del Alto Jalón (tierras de Soria, Guadalajara y Zaragoza). Todos los objetos hallados en sus excavaciones fueron donados por el propio marqués al Museo Arqueológico Nacional y al Museo Nacional de Ciencias Naturales.