Cuộc khai quật năm 2008-2009 do Viện Khảo cổ học thực hiện đã phát hiện được 140 di tích cùng với hàng chục ngàn di vật khảo cổ của nhiều thời kì chồng xếp, đan xen nhau. Đây là phát hiện quan trọng, phản ánh sinh động lịch sử phát triển lâu dài, liên tục của khu trung tâm Hoàng Thành Thăng Long suốt 1300 năm.
Với diện tích 3.700 m2 dành cho hai khu trưng bày dưới hai tầng hầm, phía Đông công trình nhà Quốc hội để gìn giữ, bảo tồn và phát huy các giá trị di sản, đặc biệt là di sản Hoàng thành Thăng Long. Hiện Bảo tàng đang lưu giữ, trưng bày 400 di vật và gần 10 di tích khảo cổ. Đây được xem là bảo tàng khảo cổ học đầu tiên của Việt Nam.
Tầng hầm 2, vị trí sâu hơn trưng bày các di tích, di vật của thời kỳ tiền Thăng Long (thế kỷ 7-10) với diện tích gần 2000m2. Di tích nền móng kiến trúc, giếng nước nguyên gốc, mộ ngựa, được trưng bày dưới mặt sàn. Tại không gian này, người xem có thể khám phá những dấu tích của 17 công trình kiến trúc gỗ, 7 giếng nước và nhiều di vật, đồ dùng sinh hoạt từ thời Đại La, hoặc kiến trúc gỗ thời Đinh - Tiền Lê.
Bảo tàng thiết kế đường đi bằng kính dày, trong suốt, dưới đó là những mô tả công trường khai quật Hoàng thành khiến người xem như đang được ở trong trung tâm khai quật.
Chủ tịch Quốc hội nước CHXHCN Dân chủ Sri Lanka Karu Jayasuriya và đoàn công tác thực sự ấn tượng với các di tích, di vật tại bảo tàng dưới chân nhà Quốc hội.
Di tích Giếng nước thời Đại La được trưng bày tại bảo tàng.
Với diện tích gần 1.700m2, tầng hầm 1 là không gian trưng bày những di tích, di vật Thăng Long và nổi bật nhất là những mô phỏng về một kiến trúc của cung điện thời Lý, được tái tạo giống như bối cảnh khai quật. Mặt bằng kiến trúc được trình diễn bằng hệ thống 42 đèn cột ánh sáng, để gợi mở cho công chúng hình dung về 42 cột gỗ của một công trình kiến trúc Cung điện thời Lý.
Di vật tượng Đầu chim phượng trang trí trên mái của các công trình kiến trúc.
Những bình gốm sứ được thu thập trong quá trình khai quật.
Quá trình khai quật Hoàng thành Thăng Long cũng được tái hiện một cách sinh động.
Nguyên Phó Chủ tịch Quốc hội Nguyễn Văn Yểu tham quan bảo tàng. Ông thực sự ấn tượng với những di tích trưng bày trong bảo tàng.
Trước khi kết thúc chuyến tham quan bảo tàng dưới chân nhà Quốc hội, khách tham quan còn được xem những thước phim tư liệu giới thiệu Hoàng thành Thăng Long.