Predmeti iz srednjovjekovne zbirke potječu od kraja 4. do 12. st. Zbirku čine nalazi nakita iz grobova (naušnice, sljepoočničarke, prstenje, dugmad, ogrlice, pojasne kopče), ratnička oprema (franački mačevi i koplja) te starohrvatska pleterna skulptura koja je resila unutrašnjost crkava. Zbirka čuva spomenike važne za povijest hrvatske države, među kojima je i ulomak zabata oltarne ograde s imenom hrvatskog vladara Trpimira. Starohrvatska zbirka nastala je neumornim radom don Frane Bulića (link na Povijest muzeja).
Kasna antika je doba krize Zapadnorimskog Carstva koje više ne može sačuvati granice od invazije susjednih novopridošlih plemena (Istočni i Zapadni Goti, Vandali, Svebi, Alamani, Franci, Langobardi i dr.). Presudan događaj oko 375. g. (nazvan velika seoba naroda) bila je provala nomadskih ratničkih plemena iz Azije, pod dominacijom Huna, koja je pokrenula germanska plemena preko granica Zapadnorimskog Carstva. Istočni Goti 493. g. uspostavljaju svoju državnu vlast u Italiji. Dalmacija i Savija dolaze pod vlast Istočnogotske države sa sjedištem civilne i vojne uprave u Saloni. Razdoblje mirne i tolerantne ostrogotske vlasti traje od kraja 5. st. do 537. g., kada Dalmacija dolazi u okrilje Istočnorimske države.
U drugoj polovini 6. st., nova grupa nomada ratnika pod vlašću Avara pokrenula je seobu slavenskih plemena iz njihove pradomovine između gornje Labe, Odre, Baltičkog mora, Dnjepra i Karpata. Centar avarske države bio je u Panoniji. Padom Sirmia 582. g. Avarima i Slavenima otvaraju se putevi prema Dalmaciji te oni u valovima prodiru prema jugu. Nekoliko desetljeća nakon seobe Slavena seli i pleme Hrvata iz Bijele Hrvatske na gornjoj Visli, dolazi u Dalmaciju, oslobađa slavensko pučanstvo avarske vlasti i trajno se naseljava u zaleđu dalmatinskih gradova. Pod naletom novopridošlih plemena Salona pada u prvoj polovici 7. st., a gasi se život i u Naroni. Stanovništvo bježi, tražeći utočište na otocima i utvrđenim gradovima (Dioklecijanova palača). Pod bizantskom vlašću ostaju Zadar, Trogir, Split, Dubrovnik, Kotor i otoci Krk, Cres, Rab i Osor, u 9. st. organizirani u bizantsku temu Dalmaciju kao važna uporišta na plovnom putu Jadranom.
U prvim stoljećima nakon doseljenja, od decentraliziranih teritorijalnih zajednica kojima upravljaju rodovski poglavari, stvara se jezgro hrvatske države pod zajedničkom vlašću kneza u porječima Cetine, Krke i Zrmanje s centrima u Biogradu, Ninu, Solinskom polju i Kninu.
Početkom 9. st., moćna Franačka država Karla Velikog postala je zapadni susjed Hrvata, a mirom u Aachenu 812. g. podijelila je s Bizantom interesne sfere u negdašnjoj rimskog provinciji Dalmaciji. Dalmatinski gradovi pripali su Bizantu, a hrvatski teritorij je došao pod franačku upravu. Od polovice 9. st., hrvatski vladari se osamostaljuju i izmiču franačkom utjecaju.
Voditelj zbirke je viši kustos Ante Piteša.