Veliko dela je Tolminski muzej v letih delovanja opravil tudi na področju arheologije. Na arheološko zelo bogatem območju, ki ga pokriva, so bila doslej opravljena številna arheološka izkopavanja in druge raziskave, rezultati le-teh pa so bili predstavljeni na razstavah, v različnih strokovnih publikacijah, na predavanjih in drugih javnih predstavitvah. Arheološko gradivo, izkopano v obdobju, ko je bil tolminski muzej pod okriljem goriškega se danes nahaja v Goriškem muzeju, najdbe iz obdobij pred in po tem pa so danes del arheološke zbirke Tolminskega muzeja.
Na Mostu na Soči, kjer se nahaja najpomembnejše arheološko najdišče v Zgornjem Posočju, ter v Bovcu in Kobaridu, so pričeli z arheološkimi izkopavanji že v petdesetih letih. Delo, ki je v začetku potekalo pod vodstvom Muzeja za Tolminsko, je po njegovi priključitvi nadaljeval Goriški muzej. V šestdesetih letih so ob širitvi naselja Tolmin potekala večja izkopavanja na dotlej neposeljenem območju pod gradom, kasneje še na Kozlovem robu, kjer je nekdaj stal tolminski grad, v Kobaridu, na Mostu na Soči in še marsikje drugje. Ko je z osamosvojitvijo Tolminski muzej ponovno pridobil svojega arheologa, se je z novimi raziskavami in odkritji arheološka podoba Zgornjega Posočja še dopolnila. Razširilo se je dotedanje območje raziskav na Mostu na Soči, tem so sledila odkritja dotlej povsem nepoznanih arheoloških najdišč na Srpenici, Šentviški planoti, v Breginjskem kotu, Zatolminu, Čadrgu, Kobaridu, Volčah in še v številnih drugih krajih.
