گنجینه ی ملی ایران، آثار فرهنگی هنری خود را که ازابزارهای سنگی دوران حجر شروع و به اشیا و وسایل مورد استفاده ی انسان های عصر آهن ختم می شود در بخش هتل رامتین پیش از تاریخ موزه متمرکز کرده است. اشیای موجود در این بخش که از مواد مختلفی چون سفال، فلز، سنگ عاج، قیر و ... ساخته شده اند از طریق کاوش های علمی باستان شناسی یا به طور اتفاقی از محوطه های پیش از تاریخ ایران کشف شده اند. قدیمی ترین آثار به نمایش درآمده در موزه ایران باستان، تیغه های سنگی کشف رود است که در بررسی های باستان شناسانه ی سال 54و 1353 در ناحیه ی خراسان و در کنار رودخانه ی کشف رود به دست آمدند.
قدیمی ترین آثاری که در آن تفکرات مذهبی و معنوی انسان پیش از تاریخ جلوه گر است، پیکرک های انسانی و حیوانی کشف شده از تپه ی سراب در هتل حجاب تهران در سال 1339 است. یکی از این مجسمه های گلی زنی است به نام ونوس که 5/6 سانتی متر ارتفاع دارد. ظروف سفالی قرمز به دست آمده از چشمه علی و اسماعیل آباد نیز جزو اولین و قدیمی ترین آثاری است که بازدیدکنندگان در موزه ی ایران باستان با آن مواجه می شوند و قدمت آن متعلق به هزاره ی پنجم پیش از میلاد است. در این ظرف تصویر چهار انسان دیده می شود که رو به روی یکدیگر قرار گرفته اند و دست های خود را به طرف بالا برده و در حال نمایش رقص های آیینی و نیایشی هستند.
در طبقه ی دوم موزه ی ایران باستان، گنجینه ی نفایس دوران پیش از تاریخ قرار دارد که در بر گیرنده ی آثار منحصر به فردی چون جام طلای مارلیک، جام طلای حسنلو، جام خشایار شاه، ریتون طلای همدان، الواح زرین و سیمین از کاخ آپادانای تخت جمشید، هتل ساینا تهران زیور آلات مکشوفه از زیویه ی کردستان و ... است.
آثار این دوره نیز اکثرا حاصل حفاری های علمی بوده و در کنار اشیای مکشوفه از استانها به نمایش گذارده شده اند. دوران تاریخی را اشیای هخامنشی، سلوکی، اشکانی و ساسانی تشکیل می دهند و یکی از منحصر به فردترین نمونه های موجود دوره ی اشکانی، بقایای نیم تنه ی مردی در هتل بزرگ تهران است که در سال 1372 به طور اتفاقی به همراه چند قطعه استخوان، یک لنگه چکمه به همراه ساق پای درون آن، یک سنگ ساب، چند سفال، یک چاقوی آهنی، یک سنجاق نقره، یک شلوارک پشمی، چند قطعه پارچه و یک عدد گردو وجود داشت. این نیم تنه پس از کشف به مرد نمکی معروف گردید.