Arheološka zbirka stvarana je nakon osnutka Gradskog muzeja Vukovar i njegovog početka rada 1948. godine. Arheološka zbirka kroz predmete od prvih tragova naseljavanja iz razdoblja mlađeg kamenog doba (neolitika), sve do razvijenog srednjeg vijeka prati arheološku prošlost Vukovara i vukovarskog kraja.Nalazi iz mlađeg kamenog doba – starčevačka i sopotska kultura; bakrenog doba – lasinjska, badenska, kostolačka i vučedolska kultura; brončanog doba – vinkovačka, vatinska i belegiška kultura; starijeg željeznog doba – daljska, srijemska i bosutska kultura; mlađeg željeznog doba – keltsko-latenska kultura; rimskog razdoblja i srednjeg vijeka dokazuju preko 7 tisuća godina intenzivnog života na ovom području.Predmeti iz arheološke zbirke Gradskog muzeja Vukovar prate promjene u izboru materijala za izradu uporabnih predmeta, oruđa, oružja i nakita tijekom dugog razdoblja od mlađeg kamenog doba do srednjeg vijeka. Keramika, kost i rog koristili su se u svim razdobljima, dok se metal počeo koristiti od bakrenog doba na dalje, a predmeti od stakla od mlađeg željeznog doba, kroz antiku i srednji vijek.Arheološka zbirka obuhvaća podzbirke: Arheološku i zbirku Vučedol – sustavna istraživanja. Arheološka građa pristiže u Muzej manjim dijelom donacijama građana i otkupom, a uglavnom terenskim radom: rekognosciranjima, arheološkim nadzorom, zaštitnim, pokusnim i sustavnim arheološkim istraživanjima, zahvaljujući čemu se stvara arheološka slika Vukovara i okolice u okviru istočne Hrvatske, Podunavlja i Europe.Od posebnog su značaja sustavno arheološko i multidisciplinarno istraživanje eponimnog lokaliteta Vučedol koje se provodi u godišnjim kampanjama od 2001., te sistematična rekognosciranja i arheološka istraživanja Sotina u kampanjama 2008.-2013., zahvaljujući čemu je arheološka zona Sotina upisana u Registar zaštićenih spomenika kulturne baštine Republike Hrvatske.