Nationalmuseets samling af oldtidsfund er en af de ældste i Europa. Den blev grundlagt året 1807, da den enevældige Frederik den Sjette (1768-1839) nedsatte en kongelig kommission til oldsagers opbevaring hvis samlinger indrettedes på Trinitatis kirkeloft bag ved Rundetårn. I 1816 overtog en ung handelsmand, Christian Jürgensen Thomsen (1788-1865) den daglige ledelse af samlingerne. I årene derefter skabte han ikke blot 5. samlingerne fra Danmarks oldtid men også en stor del af de øvrige samlinger, som i dag udgør Nationalmuseet.
Christian Jürgensen Thomsen var grosserer og ledede indtil 1840 et handelshus i København. Men han var også møntsamler, kunstsamler og tillige dybt interesseret i den Nordiske oldtid og middelalder. Det var navnlig samlingerne fra disse fjerne tider, han viede sin store arbejdsindsats. Som leder af museet på Trinitatis kirkeloft forstod han at gøre det populært hos almenheden ved sine levende omvisninger. Men Thomsen var også en fremragende forsker. Gennem et systematisk studium af de mange oldsager, som blev afleveret til museer af navnlig landbefolkningen, kom han allerede i 1820' -erne, før nogen anden i Europa, til den overbevisning at oldtiden kunne opdeles i en stenalder, en bronzealder og en jernalder. C.J. Thomsens inddeling af oldtiden er siden blevet grundlaget for al arkæologisk forskning i verden.
I 1832 blev Oldsagsmuseet flyttet til Christiansborg Slot. Her kunne Thomsen opstille samlingerne fra tiden før kristendommens indførelse i tre klare hovedafdelinger: sten-, bronze og jernalder.
Samlingerne hørte allerede dengang til de rigeste i Europa. Mange af de klenodier, som endnu i dag kan ses i udstillingen Danmarks oldtid, var indgået til den i begyndelsen af 1800-tallet. Men den videnskabelige systematik, hvormed samlingerne var ordnet, repræsenterede også noget ganske ukendt. Endnu i 1830'-erne bar de fleste europæiske museer præg af deres fortid som fyrstelige raritetskabinetter eller kunstkamre. Thomsens museum på Christiansborg var derimod indrettet så det tjente både læg og lærd. Det var videnskabeligt ordnet men samtidig opstillet på en pædagogisk måde. Det nød umådelig popularitet i befolkningen og havde et ry, der rakte langt ud over landets grænser.
Ved grundlovens indførelse i 1849 overgik samlingerne fra kongehuset til staten. De blev flyttet fra Christiansborg Slot til Prinsens Palæ, og her kom de under samme tag som Antik Cabinettet og Det etnografiske Museum - og nogle år senere Den Kgl. Mønt- og Medailliesamling. Også disse samlinger havde Thomsen ledet og præget på fremragende måde. Grundlaget var dermed skabt for det museum, der skulle udvikle sig til det danske Nationalmuseum.
I 1865 døde C.J.Thomsen. hans efterfølger blev arkæologen J.A.Worsaae (1821-1885), som fortsatte det pionérværk, Thomsen havde begyndt. Samtidig udbyggedes også museets position som en videnskabelig institution, hvorfra tilsynet med alle landets oldtidsminder blev ført. Det skete bl.a. ved en systematisk berejsning af landet, som Worsaae iværksatte i 1873, og som fortsatte langt ind i dette århundrede. Den intensive dyrkning af den danske jord og de mange anlægsarbejder, - jernbanernes bygning f.eks., som fandt sted i anden halvdel af 1800-tallet, gav anledning til mange fund og arkæologiske udgravninger og øgede museets samlinger betydeligt. På arkæologiens område udviklede Danmark sig i de år til en af de leden-de nationer i Europa. I 1892 blev museet reorganiseret og fik navnet Nationalmuseet. Samlingernes ledere har siden været forskere, som gennem deres populariserende virksomhed har været velkendte i den brede offentlighed: Sophus Møller (1840-1934), Johannes Brøndsted (1890-1965) P.V. Glob (1911-1985).
I dag er Nationalmuseet ikke længere den eneste institution i Danmark, som driver arkæologi på et videnskabeligt grundlag. Faget er nu repræsenteret ved Københavns og Århus universiteter, et stort antal lokalmuseer over hele landet driver også videnskabelig arkæologi. Men Nationalmuseet er fortsat det sted, hvor samtlige arkæologiske oplysninger om Danmarks oldtid samles. Der findes næppe noget land i verden, hvor arkæologiske fund af alle slags er registreret så systematisk og omhyggeligt som her. Nationalmuseet er også det sted, hvortil alle fund af Danefæ indgår, og hvor de rigeste samlinger fra landets ældste historie findes.