La primera sala muestra las más antiguas evidencias arqueológicas de ocupación humana del territorio que hoy comprende la provincia de Cáceres. Cronológicamente abarca un extenso período que se extiende desde hace medio millón de años hasta el tercer milenio antes de nuestra Era. Las piezas expuestas corresponden a las dos primeras etapas en que se divide la Historia de los seres humanos: el Paleolítico o «Edad de la Piedra Antigua» y el Neolítico o «Edad de la Piedra Nueva».

Durante el Paleolítico (hace 1.000.000-10.000 años) la subsistencia de las primeras comunidades humanas depende de la caza, la pesca y la recolección de productos silvestres. Los asentamientos humanos más antiguos podían situarse tanto cuevas como al aire libre, y su ocupación no va a ser permanente sino que la movilidad de los grupos va a depender de la estacionalidad y el clima, así como del desplazamiento de las manadas de grandes mamíferos. La industria lítica todavía es muy rudimentaria, aunque va a ir perfeccionándose y diversificándose con el transcurrir de los siglos; se encuentra en las unidades superiores de la cueva de Santa Ana (Cáceres), con una cronología que abarca del 40.000 al 10.000 años antes del presente, y los últimos momentos, el denominado Epipaleolítico (10.000-5.000 años a. de C.), se documenta en la también cacereña cueva de El Conejar, que ha proporcionado un conjunto de vestigios con un claro predominio de la industria laminar.

A este largo periodo corresponden algunas de las primeras manifestaciones de un pensamiento simbólico, con el surgimiento de las primeras actividades artísticas y de un pensamiento sobre la muerte y el más allá. Las evidencias más significativas de este momento en la provincia de Cáceres son las pinturas rupestres halladas en la Cueva de Maltravieso, en las proximidades del centro urbano. Se han representado sobre todo improntas de manos en negativo y algunos otros motivos como líneas y puntos; hay también algunas figuras grabadas. La cronología que ha sido establecida mediante recientes estudios fecha en torno a 66.000 años antes de nuestra era las improntas de manos más antiguas, lo que las convierte en el primer arte rupestre conocido. Otras manifestaciobes artísticas de Maltravieso datan de entre 30.000-15.000 años antes de nuestra Era, según los investigadores. Se puede obtener información más completa sobre este yacimiento visitando el Centro de Interpretación de la Cueva de Maltravieso, dependiente del museo.

En el Neolítico (5.000-3.000 años antes de Cristo), una época en la que los asentamientos humanos se hacen más estables, con la aparición los primeros poblados, pero que sobre todo se va a caracterizar por la existencia de una economía de tipo productivo representada por la agricultura y la ganadería. En el plano tecnológico, la novedad más importante será sin duda la cerámica, que permite almacenar y cocinar alimentos. El aumento de la producción agrícola y una mayor fijación al territorio van a influir en los niveles de vida de estas comunidades primitivas, con el consiguiente aumento de la población.

Los asentamientos permanentes, en forma de poblados, tendrán su reflejo en los monumentos funerarios conocidos como dólmenes o megalitos. Construcciones de grandes piedras donde se enterraban colectivamente los primeros grupos humanos. Esta arquitectura tienen sus inicios en los últimos momentos del Neolítico, teniendo su apogeo durante la edad del Cobre o Calcolítico, IV-III milenios antes de nuestra era, y alcanzando incluso la Edad del Bronce, III-II milenios antes de nuestra era. Se exponen objetos que constituyen el ajuar funerario de los enterramientos colectivos, cuya homogeneidad revela escasas diferencias sociales entre las personas enterradas; lo forman elementos propios de las actividades cotidianas, como cuchillos, puntas de flecha, hachas, azuelas o cerámicas y objetos de adorno y religiosos, como los ídolos placa decorados de pizarra.

El fenómeno megalítico tiene un largo recorrido cronológico, y las sepulturas son reutilizadas durante generaciones, dándose el hallazgo de piezas metálicas y vasos campaniformes en un contexto ya Calcolítico y que incluso llega a adentrarse en la Edad del Bronce Plena.