Праисторическата епоха е представена от оръдия на труда от камък, кремък и кост, сред които и единственият открит в Европа каменен палешник от неолита; глинени съдове; антропоморфна и зооморфна пластика.

Античният материал включва различни архитектурни детайли, епиграфски надписи, стенописи, мозайки, обемна пластика, строителна и битова керамика, стъкло, оръдия на труда, въоръжение, накити и др.

Сред археологическите находки от периода на Средновековието значима е сграфито керамиката. Производството й в София започва най-вероятно през ХІІ в., а разцвета й е през ХІV в.

Музеят за история на София е един от първите в България, който започва да събира артефакти от османския период. Разполага с богата колекция от източен фаянс и венецианско стъкло, както и с голяма сбирка от глинени лули.