Zbiory młodszej epoki kamienia - neolitu, obejmują chronologicznie okres od połowy 5 tys. p.n.e. do schyłku 3 tys. p.n.e. Należą do najliczniejszych w PMA kolekcji, są efektem ponad 70-ciu lat badań kilku pokoleń archeologów. Znajdują się w nich materiały z całej Polski i terenów ościennych. Najbogatsza część zbiorów pochodzi z terenów Małopolski, Mazowsza i Polski płn-wsch. Najliczniejsze zespoły zabytkowe i najbardziej znane to: Ćmielów, Złota, Krzemionki, Gródek Nadbużny, Zawichost, Popudnia i Pieniążkowa oraz jaskinie ojcowskie.

Jedną z głównych specjalizacji Działu Neolitu jest prahistoryczne górnictwo krzemienia, jego przetwórstwo i dystrybucja wytworów w powiązaniu z zapleczem osadniczym grup parających się pozyskiwaniem surowców. Pod opieką merytoryczną działu znajduje się rezerwat archeologiczny w Krzemionkach Opatowskich, woj. kieleckie. Zlokalizowano tu największe na świecie i najlepiej zachowane pole eksploatacyjne tzw. krzemienia pasiastego z około 3 tysiącami kopalń. Wieloletnie prace wykopaliskowe pozwoliły na rozpoznanie systemów wydobywczych stosowanych w neolicie.

Drugim obiektem odkrytym dzięki działalności pracowników działu i badanym jest kompleks górniczy w Puszczy Knyszyńskiej. Tworzymy tam wspólnie z władzami gminnymi i leśnikami ośrodek archeologiczno-turystyczny, tzw. EKOMUZEUM. Od kilku lat prowadzimy tu plenery artystyczne dla uczniów liceów plastycznych.

Zajmujemy się również badaniami obrządku pogrzebowego ludności kultury pucharów lejkowatych na lessach sandomiersko-opatowskich. Od 1997 roku trwają prace wykopaliskowe grobowca megalitycznego w Stryczowicach, woj. świętokrzyskie (dawniej woj. kieleckie).