Régészeti gyűjtést már a 19−20. században, a városi múzeum megalapítása előtt folytattak Hatvan városában és környékén.
Lelkes amatőrök, Sperlágh József gyógyszerész és Révász József rendőrtanácsos kutatták a múlt felszínre bukkant emlékeit. Az itt előkerült őskori leletek felkeltették a kor régész szakembereinek figyelmét is, ennek köszönhetően 1876-ban az Ősrégészeti Világkongresszus egyik magyarországi helyszíne Hatvan lett. Sajnos, mivel a városban nem üzemelt múzeum, ezért Sperlágh és Révász anyagaiból néhány darab a Magyar Nemzeti Múzeumba került, a leletek nagyobb része viszont elkallódott.
A Hatvany Lajos Múzeum régészeti gyűjteményének törzsét múzeum alapítóinak személyes gyűjtései adják. Doktay Gyula tárgyai közül, főleg a hatvani várral kapcsolatos emlékek, a volt vár területén talált kerámiák és vaseszközök emelhetőek ki. Németi Gábor, a Bajza József Gimnázium tanára, a tanulókkal közösen végzett felszíni gyűjtések anyagát hagyta rá az intézményre, míg Szántó Lóránt a környéken (Boldog, Nagykökényes, Zagyvaszántó stb.) végzett terepbejárásai során talált leleteket szolgáltatta be. Mivel a Hatvany Lajos Múzeumnak csak a 21. században lett hivatalos státuszú régésze, az eddig eltelt években és még napjainkban is a helyi amatőr gyűjtők járultak hozzá a régészeti gyűjtemény gyarapodásához.
A régészeti gyűjtemény legnagyobb részét az országos jelentőséggel bíró Hatvan-kultúra (Kr.e.2300−Kr.e. 1500) tárgyi emlékei alkotják. Ezt a bronzkorban élő népcsoportot az első szakszerűen feltárt, hozzájuk köthető lelőhelyről, Hatvan−Strázsahegyről nevezték el. 1934-ben és 1935-ben ásott itt Tompa Ferenc, a Magyar Nemzeti Múzeum régésze, ekkor egy bronzkori település (ún. tell) házait és a bennük talált használati eszközöket találta meg. A múzeum legszebb darabjai közé sorolhatók a Hatvan-kultúra temetkezéseinél előkerült urnák, amforák és különféle kerámiák.
A gyűjtemény számos, a Kárpát-medencében élt népvándorláskori nép (szkíták, szarmaták, kelták stb.) emlékanyagát, valamint a rómaiak jelenlétét igazoló, a Zagyva közelében állt római katonai őrállomás épületének tégláit őrzi. A ránk maradt kerámiák, ékszerek, viseleti elemek és pénzek bizonyítják, hogy Hatvan e korai időszakban is már jó területi elhelyezkedése miatt (hegy és síkság találkozása) fontos találkozási pont volt a különböző népcsoportok között.
A következő fontos korszak, amelynek emlékei kiemelkednek a gyűjteményből, a török kor. Hatvant 1544-ben foglalták el a törökök és tették igazgatási központtá. A hosszú itt tartózkodásuk nyomai mázas edények, cseréppipák és kávékiöntő részletek formájában maradtak meg. Valamint kiemelt jelentőséggel bírnak a restauráláson átesett, újkori cipőtalpak is, mivel a szerves alapanyagú régészeti leletek ritkaságnak számítanak Magyarországon.