Epoca paleloliticului este divizată în trei perioade mari: paleoliticul inferior (500 mii-100 mii ani în urmă); paleoliticul mijlociu (100 mii-35 mii ani în urmă); paleoliticul superior (35 mii-10 mii ani în urmă). În prezent, patrimoniul paleoliticului inferior, este reprezentat în Muzeu prin colecţiile acumulate în circa 20 de staţiuni, din care cele mai reprezentative sunt cele din grotele de la Duruitoarea Veche, Ofatinţi, Buteşti.

Paleoliticul mijlociu, sau epoca musteriană, este reprezentată de circa 60 de staţiuni localizate în grotele şi peşterile de la Buteşti, Buzdugeni, Trinca ş. a., a căror materiale îşi ocupă locul distinct în fondurile şi expoziţia Muzeului [3].

În prezent sunt cunoscute circa 350 de staţiuni, datate în paleoliticul superior, unde s-au descoperit unelte din silex, os şi corn [5, 6] din care este necesar de menţionat cele de la Brînzeni, Bobuleşti, Ciuntu, Scoc, Gordineşti, Ciutuleşti, Raşcov. În staţiunea de la Climăuţi au fost descoperite locuinţe la construcţia cărora au fost utilizate oase de mamut. În perioada paleoliticului superior pentru prima dată sunt confecţionate obiecte de artă – pandantive [2], figurine antropomorfe şi zoomorfe [1, 4]. Epoca pietrei se încheie cu perioada mezolitică (10-7 mii ani în urmă).