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 1.300 năm.
Với diện tích 3.700 m2 dành cho hai khu trưng bày dưới hai tầng hầm, phía Đông công trình nhà Quốc hội được dành để gìn giữ, bảo tồn và phát huy các giá trị di sản, đặc biệt là di sản Hoàng thành Thăng Long.
Tầng hầm 2 (diện tích gần 2.000 m2) trưng bày các di vật thời kỳ tiền Thăng Long (thế kỉ VII-X). Đây là thời kỳ trước khi xây dựng kinh đô Thăng Long, gồm thời Đại La (thế kỷ VII-IX) và thời Đinh - Tiền Lê (thế kỷ X). Các di tích nền móng kiến trúc cùng giếng nước, mộ ngựa, xâu tiền ... của các thời kỳ được tái tạo trưng bày dưới mặt sàn.
Khu trưng bày là không gian tương tác, nơi công chúng được tự do khám phá và trải nghiệm về khảo cổ học.
Không gian trưng bày khảo cổ học dưới tầng hầm Nhà Quốc hội
Các công trình kiến trúc đã được xây dựng khá công phu và hiện đại, từ hệ thống cột gỗ được chôn sâu và làm hố móng chống lún.
Các di vật được trưng bày kết hợp với hình ảnh, ánh sáng và media.
Đồ gốm được trưng bày tại Bảo tàng.
Ở thời Lý, các loại ngói lợp mái phổ biến được gắn hình lá đề và trang trí hình rồng, phượng với đường nét cực kỳ khéo léo và mang tính nghệ thuật cao.
Đây là loại ngói độc đáo nhất trong khu vực châu Á, mang bản sắc riêng của nghệ thuật kiến trúc cổ Việt Nam thời này.
Giếng nước cổ thời nhà Trần được làm bằng đất nung, xung quanh trang trí nổi hình rồng, vân cánh sen hoa cúc.
Các các cổ vật thời kỳ trước và sau khi xây dựng Hoàng Thành Thăng Long được trưng bày tại bảo tàng.
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.
Những bình gốm sứ được thu thập trong quá trình khai quật.