Nelle due sale centrali sono esposti gli strumenti litici e i resti di faune che provengono da depositi divenuti fondamentali per lo studio del Paleolitico medio e superiore dell'Italia meridionale.

Le più antiche attestazioni di presenza umana nel Salento risalgono al Paleolitico medio, tra 120 e 40 mila anni, e sono riferibili all'Homo sapiens neandertalensis. Di questi antichissimi gruppi di cacciatori-raccoglitori nomadi e della loro quotidiana lotta per la sopravvivenza narra il ricco strumentario in selce, raschiatoi e limaces provenienti dal sito neandertaliano di Cattìe (Maglie), da cui provengono anche alcuni tra i pochissimi resti osteologici riferibili a questa specie, destinata a scomparire drasticamente in piena glaciazione wurmiana.

I reperti osteologici di Grotta Romanelli consentono di ricostruire i nuovi ambienti di quest'ultimo periodo glaciale, che vede la definitiva affermazione dell'Homo sapiens sapiens, autore delle particolarissime industrie microlitiche che da questa fondamentale cavità hanno preso il nome.

La sala dedicata all'arte paleolitica espone alcuni calchi, realizzati dall'artista Paolo Conte nel 1939, delle splendide incisioni artistiche di Grotta Romanelli, tra cui la famosa figura schematico-naturalistica  raffigurante il Bos primigenius trafitto da zagaglie e diverse pietre graffite, provenienti dalla stessa grotta e alcuni calchi delle figurine muliebri dei Balzi Rossi e delle Veneri di Parabita.

Riproduzioni in positivo delle più belle testimonianze artistiche paleolitiche del Salento, realizzate per  il percorso tattile, completano le esposizioni di questa sezione.