La sezione archeologica, dedicata alla città di Pollentia, trae origine dalla raccolta creata da Euclide Milano e composta essenzialmente da "cimeli" offerti da privati oppure acquistati presso il mercato antiquario locale; alcuni “ruderi” conservati nella tenuta reale di Pollenzo furono concessi in deposito (1919 e 1920) dal Ministero della Real Casa.
In seguito si sono aggiunti i reperti rinvenuti sporadicamente e nel corso di scavi condotti a più riprese dalla Soprintendenza Archeologica sino ad anni recenti e, negli anni '50 e '60 del Novecento, da Edoardo Mosca, al quale la sezione archeologica è stata intitolata.
Il percorso di visita si snoda su due piani del palazzo. Al piano terra sono sistemati i reperti lapidei ed epigrafici comprendenti frammenti architettonici, un sarcofago, un altare funerario e le stele, tra cui quella del merkator vinarius (commerciante di vini) e quella del purpurarius (tintore di stoffe).
Al secondo piano ai reperti attestanti il popolamento del territorio in epoca pre-protostorica segue la documentazione su Pollentia, fondata dai Romani in riva al Tanaro verso la fine del II sec. a.C., sino alla sua trasformazione in età tardo antica e medievale.
Sono illustrate le vicende urbanistiche della città con i suoi monumenti e le necropoli che la circondavano; gli oggetti di varia natura (ceramica, vetro, metallo) componenti i corredi funerari deposti nelle sepolture ci offrono uno spaccato della vita quotidiana del tempo.
All'età tardo antica risalgono la lucerna paleocristiana a forma di pesce e il corredo funerario di una donna di stirpe germanico-orientale (metà V sec. d.C.), la cosiddetta "Dama di Pollenzo".
Completa il percorso di visita l'esposizione di parte della collezione numismatica, composta da monete antiche, medievali e moderne, e di quella di medaglie dello Stato Pontificio donata da don Giuseppe Tornatore.
