Археологический музей располагается в бывшей Буюк-мечети. Здание мечети примыкает к зданию Национальной художественной галереи. Здесь можно видеть множество великолепнейших произведений античной скульптуры и пластики. Богатой коллекции музея могут позавидовать лучшие музеи мира. Здесь собраны находки со всей территории современной Болгарии, относящиеся к эпохе фракийцев и римлян, а также к Средневековью. Особенно интересны бронзовая статуэтка оленя (VIII в. до н.э.) и римский саркофаг II—III вв. н.э., найденный в окрестностях Ловеча. Впечатляет и выполненная в натуральную величину копия Мадарского всадника, высеченного на скале близ селения Мадара. На первом этаже Археологического музея экспонируются произведения античного и византийского периодов. Среди них — саркофаги знатных римлян — порой огромные, настоящие архитектурные сооружения; мозаичные полы из собора Св. Софии с типичными символическими изображениями раннехристианского периода; найденная при раскопках в столице плита, на которой изображены цирковые представления (III—IV вв.), и ряд других. В их числе, надгробная плита Александра V век до н.э., бронзовая статуя Аполона из Стары-Загоры и ряд других ценнейших экспонатов.