Националният археологически музей се помещава в Буюк джамия (Голямата джамия) – най-старата запазена сграда в София от епохата на османското владичество, датираща от края на XV век. Музеят отваря врати за посетители на 18 май 1905 г.
Експозициите на музея са разположени на два етажа. В централната зала на Археологическия музей, са представени находки от къснобронзовата епоха до късното средновековие. Голяма част от експонатите са свързани с разцвета на Тракия – V – ІІІ в. пр. Хр. и Одриското царство. Изложени са също находки от могилните некрополи на траките. От двете страни на входа на централната зала посетителите могат да видят надгробни паметници, статуи на божества, керамика и други предмети, които са открити по крайбрежието на Черно и Егейско море. Изложени са и много находки, открити в некропола на Аполония Понтийска (днешен Созопол) и Одесос (Варна). Тук се пазят и много добре запазени римски каменни паметници – портретни статуи, произведения на гръцки скулптори.
В зала „Праистория” в хронологичен вид са изложени находки от палеолита до среднобронзовата епоха. Сред най-интересните експонати са тези от селищните могили Караново и Езеро. Сред експонатите има сечива, фигури от глина и кост, керамични модели на жилища и пещи.
В зала „Трезор“ се съхраняват най-ценните експонати на музея – Вълчитрънското съкровище, датирано от XIV – XII в. пр. Хр., и съкровището от Луковит, датирано от IV в. пр. Хр. Тук се пазят още находките от могилата Светица край Казанлък – прочутата погребална маска на цар Терес, както и главата от бронзова статуя на цар Севт III от могилата Голямата Косматка край град Шипка.
Най-впечатляващо за посетителите е копието в реални размери на Мадарският конник, което е поставено точно срещу главния вход. Мадарският конник е уникален скален релеф, сътворен от неизвестен майстор през ранното средновековие на 23 м височина върху отвесна скала. Оригиналът се намира на 16 км източно от град Шумен и заради своята уникалност е включен в списъка на световното културно и природно наследство на ЮНЕСКО.