Costituita da tre nuclei principali derivanti dalle raccolte di Francesco Bernardi, di Giuseppe Bellucci e di Dante Pantanelli, donate all'Accademia alla fine dell'Ottocento, la collezione paletnologica è composta da numerosi manufatti litici, ai quali si aggiungono alcuni utensili in rame e bronzo.
Gli oggetti raccolti da Pantanelli provengono dall'area situata a Nord-Ovest di Siena da Pian del Lago, lungo la Val di Merse, fino al Piano delle Potatine.
Sempre dalla Provincia di Siena provengono i manufatti della collezione Bernardi, mentre ai dintorni di Perugia appartengono gli oggetti donati da Bellucci.
Da Montemaggiore di Bettole provengono gli utensili in rame della raccolta Bernardi e i manufatti in bronzo conservati nel Museo.
La Collezione consiste in 502 materiali archeologici esposti nella Sala Apelle Dei ed altri 200 oggetti attualmente non esposti.