Οι παλαιοανθρωπολογικές συλλογές του Ανθρωπολογικού Μουσείου περιλαμβάνουν σημαντικό αριθμό εκμαγείων παλαιοανθρωπολογικών ευρημάτων που προέρχονται από όλο τον κόσμο και καλύπτουν όλες τις φάσεις της εξελικτικής πορείας του ανθρώπου (=Homo) και της φυλογενετικής ιστορίας των Ανθρωπιδών (=Hominidae), τα τελευταία πέντε εκατομμύρια χρόνια.

Ανάμεσά τους βρίσκεται αντίγραφο της κάτω γνάθου του ανθρώπου της Χαϊδελβέργης, ηλικίας μισού εκατομμυρίου ετών, που θεωρείται το παλαιότερο ανθρώπινο απολίθωμα του γηγενούς εξελικτικού κλάδου του Νεάντερταλ στο γεωγραφικό χώρο της Ευρώπης, καθώς και εκμαγείο κρανίου από το φαράγγι Ολντουβάι της Τανζανίας, με την επωνυμία Twiggy, που θεωρείται πρώιμη μορφή του γένους Homo (=Homo habilis). Επίσης περιλαμβάνουν αναπαραστάσεις απολιθωμένων μορφών του ανθρώπου, όπως αυτή του Κρο Μανιόν, που στηρίζονται σε γνωστά παλαιοανθρωπολογικά ευρήματα ή ανθρώπινα απολιθώματα προηγούμενων γεωλογικών περιόδων.

Τον κύριο κορμό των επιστημονικών συλλογών του Ανθρωπολογικού Μουσείου αποτελούν οι σκελετικές σειρές που αντιπροσωπεύουν πληθυσμούς όλων των πολιτισμικών βαθμίδων του αρχαίου ελληνικού κόσμου. Οι συλλογές αυτές υπήρξαν αντικείμενο εκτεταμένων ανθρωπολογικών ερευνών από διαπρεπείς ανθρωπολόγους, όπως ο R.Virchow, o C.Fuerst και ο J.L.Angel, οι οποίοι διατύπωσαν βασικές απόψεις, σχετικά με την ανθρωπολογική συγκρότηση και την εθνογένεση του ελλαδικού πληθυσμού.

Ένα ενδιαφέρον εύρημα των συλλογών αυτών με ιστορική κυρίως αξία, αποτελεί το νεολιθικό κρανίο από τα Αγιωργήτικα της Αρκαδίας στο οποίο στηρίχτηκε προπολεμικά η προέλευση των Ελλήνων. Το κρανίο είχε βρεθεί σε ανασκαφή του Αμερικανού αρχαιολόγου C.Blegen το καλοκαίρι του 1928 και ήταν το παλαιότερο ανθρωπολογικό εύρημα του ελλαδικού χώρου την εποχή εκείνη. Η πρώτη ανθρωπολογική εξέταση του κρανίου είχε γίνει από το διάσημο σουηδό ανθρωπολόγο Carl Fuerst ο οποίος υποστήριξε, άστοχα, ότι ανήκε σε ρωμαλέα γυναίκα νομαδικού πληθυσμού με νορδική (=βορειοευρωπαïκή) προέλευση.

Σε αντίθεση προς τις σκελετικές σειρές του Μουσείου, οι οποίες εκπροσωπούν, κυρίως, τον ελλαδικό χώρο, οι προϊστορικές συλλογές του Ανθρωπολογικού Μουσείου αντιπροσωπεύουν διάφορες φάσεις της ελλαδικής και της ευρωπαϊκής Προϊστορίας. Ανάμεσά τους υπάρχουν πολλές πρωτότυπες σειρές, αντιπροσωπευτικές της πολιτισμικής ανέλιξης του ανθρώπου, καθώς και αντίγραφα περίφημων προϊστορικών ευρημάτων, όπως οι αφροδίτες της Άνω Παλαιολιθικής περιόδου που σηματοδοτούν τις αρχές της ανθρώπινης τέχνης.

Οι μικρότερες σε αριθμό, αλλά ενδιαφέρουσες -ελλείψει εξειδικευμένου εθνολογικού μουσείου στη χώρα μας- εθνολογικές συλλογές του Ανθρωπολογικού Μουσείου περιλαμβάνουν σειρές εκθεμάτων χρηστικών και διακοσμητικών αντικειμένων γηγενών πληθυσμών της Αφρικής, της Ασίας και της Αμερικής.