A Hajdúsági Múzeum egyik legnagyobb gyűjteménye a régészeti gyűjtemény. Szinte szimbolikus értékűnek is tekinthetjük, hogy a múzeumi gyűjtemény első darabjai is régészeti tárgy volt. A gyűjteményének talán egyik legértékesebb része a vidi pusztán az Erdős tanya mellől 1926-ban előkerült honfoglaló lovassír két aranyból készült szemfedő lemeze. A középkori települések életét dokumentáló tárgyi anyag legjelentősebb részét a kora Árpád-kori mohamedán vallású izmaelita Böszörmény falu leletanyaga adja. Az újabban előkerült leletek nem egy esetben kiegészítették, de meg is változtatták az adott korszakról eddig kialakult képet.

A gyűjtemény jelenleg 6930 leltározott tételt tartalmaz.