Với 400 di vật và gần 10 di tích khảo cổ hiện đang được lưu giữ, trưng bày tại đây hầu hết được Viện Khảo cổ học khai quật trong khoảng thời gian 2008-2009. Họ phát hiện những di vật quan trọng quan trọng, phản ánh sinh động lịch sử phát triển lâu dài, liên tục của khu trung tâm Hoàng Thành Thăng Long suốt 1300 năm.

Khu trưng bày di tích, di vật dưới tầng hầm tòa nhà Quốc hội là sự mô phỏng theo lát cắt địa tầng, theo diễn biến thời gian từ xưa lại gần và nội dung được thể hiện lồng ghép, đan cài giữa các di tích và di vật. Trong đó, phần di tích là phần quan trọng nhất của toàn bộ khu trưng bày.

Với kết cấu của khu trưng bày, các vị khách thăm quan sẽ được chiêm ngưỡng các di tích, di vật của thời kỳ tiền Thăng Long (thế kỷ 7-10) với diện tích gần 2000m2 ở tầng hầm 2. Di tích nền móng kiến trúc, giếng nước nguyên gốc, mộ ngựa, được trưng bày dưới mặt sàn vô cùng sinh động. Điều khiến các du khách vô dùng thích thú là được khám phá những dấu tích của 17 công trình kiến trúc gỗ, 7 giếng nước và nhiều di vật, đồ dùng sinh hoạt từ thời Đại La, hoặc kiến trúc gỗ thời Đinh - Tiền Lê. Trong đó, nổi bật nhất là tấm phù điêu “Bình Minh Thăng Long” có kích thước hơn 15m2 được tạo dựng bởi hàng ngàn viên gạch, ngói được khai quật từ thời Đại La, Đinh, Lý, Trần, Lê. Tiếp đến, du khách sẽ di chuyển lên tầng hầm 1, diện tích gần 1.700m2, để tham quan không gian trưng bày những di tích, di vật Thăng Long.

Những mô phỏng về kiến trúc cung điện thời Lý được tái hiện lại giống như công trình được khai quật. Để gợi mở cho công chúng hình dung về 42 cột gỗ của một công trình kiến trúc Cung điện thời Lý là hệ thống 42 cột sáng. Không chỉ được tham quan các di vật, di tích, khách tham quan còn được tìm hiểu về lịch sử, khảo cổ thông qua các bộ phim mô phỏng 3D hiện đại. Bảo tàng thiết kế đường đi bằng kính dày, trong suốt, dưới đó là những mô tả công trường khai quật Hoàng thành khiến người xem như đang được ở trong trung tâm khai quật.