La collection préhistorique doit sa réputation à la qualité et à l'unicité des vestiges découverts lors de plusieurs campagnes de fouilles menées dans les années 1980 par Jean Combier (chercheur au CNRS) ainsi qu'à la qualité des pièces collectées par Joseph Déchelette.

Elle comprend principalement un ensemble de 90 pièces (couteaux, lames, haches et nucléus en silex taillé) provenant de la Goulaine en Saône-et-Loire ;  un ensemble de silex, haches, lames, provenant des environs de Roanne et de l'Allier ainsi qu'un ensemble de silex taillés provenant des fouilles de Joseph Déchelette en 1911 dans la Loire.

La collection est rendue surtout célèbre par la présence de 23 rares fragments d'époque magdalénienne de plaques de schiste gravés d'animaux dont on ignore malheureusement la provenance exacte. 

La plupart de ces pièces sont actuellement en réserve, cependant sont conservés à la vue des visiteurs plusieurs pièces datant de l'âge de Bronze : haches, poignards mais aussi bijoux (bracelet, pendentif et parure annulaire).

La production et la pratique artistique gauloise sont abordées grâce  à un bel ensemble de céramiques de tables,  et surtout  par les statuettes en bronze d'un cheval et d'un sanglier provenant de l'oppidum de Joeuvres qui attestent d'une technique affirmée et raffinée.

Les pratiques et rites funéraires gallo-romaines sont représentés par la reconstitution d'une sépulture évoquant les différents modes d'inhumation.

Un ensemble rare de bols peints (dont le fameux "Bol" dit -de Roanne-), de vaisselle de table et de céramiques datant des Ier et IIe  siècle après. J.C complètent la reconstitution d'une cuisine gallo-romaine.

La vie religieuse et les pratiques cultuelles sont également montrées au moyen de figurines de Vénus en argile blanche : des déesses mères gauloises (vénus) côtoient des statuettes de divinités romaines.

Sont également mis en avant la vie quotidienne (objets usuels), les jeux, les parures (fibules en bronze) ou encore l'écriture ainsi que le commerce, l'artisanat, la monnaie et les échanges (ensemble de monnaies en bronze du IVe au III^e siècle après. J.C

La collection Campana a été acquise par l'Etat auprès du gouvernement Romain en 1861. Une partie des pièces en double a ensuite été répartie entre les musées de province. Le musée Déchelette a reçu, en 1875, un certain nombre de doubles de cette collection. Il s'agit d'objet provenant pour la plupart de la Grande Grèce (une trentaine de petits vases en tout) actuellement tenus en réserve.