З кінця ХІХ ст. відома печерна стоянка часів пізнього палеоліту (40-10 тис. р. тому) поблизу с. Нагоряни Могилів-Подільського району. Печери розташовані на високому лівому березі Дністра. В них знайдені крем’яні знаряддя праці, кістки тварин та сліди кіптяви на стелі.

Скульптура неандертальця дає уявлення про фізичний тип людини, що існував понад 40 тис. р. тому. У вітрині поруч розміщені пізньопалеолітичні знаряддя праці з кременю – ручні рубила, різці, пробійник. Увагу привертає реконструкція пращі – ручної метальної зброї.

Близько 8 тисяч років тому у первісному суспільстві відбуваються важливі зміни – перехід від привласнюючого господарства (полювання, рибальство, збиральництво) до відтворюючого (землеробство, скотарство). Настає доба неоліту. В цей час на території сучасної Вінницької області проживали племена Буго-Дністровської археологічної культури (VI-IV тис. до н.е.), з’являється ліпний керамічний посуд. Крім фрагментів кераміки у експозиції представлені рогова мотика, крем’яні вістря стріл, сокири, мікроліти.

Поворотним етапом в історії людства було опанування перших самородних металів – міді та золота, так розпочалася доба енеоліту. В цей час (ІV-ІІІ тис. до н. е.) на наших землях проживали племена трипільської культури. Розкопки поселень дали багатий матеріал для висвітлення різних сторін побуту, господарської діяльності та ідеологічних уявлень трипільців. Основою їх господарства було землеробство і тваринництво. В експозиції представлено рогові, кістяні та кам'яні мотики, крем'яні вкладиші до серпів, кам'яна зернотерка, а також мідні прикраси та знаряддя праці.

Численні музейні предмети ілюструють досягнення трипільців у гончарстві. Їх посуд справедливо вважають найяскравішою етнічною ознакою цієї культури – він прикрашався кольоровим розписом або заглибленими лініями у вигляді різноманітних фігур.

Трипільські пам’ятки Поділля дали унікальний матеріал, що стосується прядіння ниток та виготовлення тканини. Найпоширенішими знахідками є глиняні прясла та відтяжки від ткацького верстату, реконструкцію якого можна побачити у вітрині.

Надзвичайно виразним є комплекс культових предметів: жіночі статуетки, фігурки тварин, мініатюрний посуд, біноклеподібні посудини та модель житла. Ці речі використовувалися під час магічних дій та обрядів.