L’incansable tasca arqueològica portada a terme a les coves de Serinyà, on ja al segle XIX s’hi feien excavacions, fa que la sala de Paleolític sigui un de les més completes del Museu. El visitant es pot fer una idea dels animals que fa mil·lennis rondaven per la comarca, des dels elefants antics i els rinoceronts de les praderies, fins a les hienes i els linxs de les cavernes. També hi ha una mostra dels utensilis fets pels antics pobladors, des dels rudimentaris choppers del mosterià fins a les precises puntes de dors magdalenianes.