Las tres primeras vitrinas de la planta baja están dedicadas al Neolítico. Se trata de una etapa de la Prehistoria en la que comienzan a desarrollarse la agricultura y la ganadería. En Cerdeña, este periodo se extiende aproximadamente entre el 6000 y el 2800 a. C. y está marcado por la sucesión de las culturas conocidas como cerámica cardial, Bonu Ighinu y Ozieri. La primera vitrina reúne materiales pertenecientes a la cultura de la cerámica cardial, documentada en la isla entre el 6000 y el 4000 a. C. El objeto número 4 es un ejemplo representativo de este tipo de cerámica, cuyo nombre procede de la concha Cardium edule, utilizada para imprimir decoraciones sobre la arcilla antes de la cocción.
En los números 2 y 3 se exponen las puntas de flecha y de arpón más antiguas realizadas en obsidiana, una roca volcánica procedente del Monte Arci, en la provincia de Oristano. Son piezas cuidadosamente talladas para obtener filos cortantes, que se fijaban a astiles de madera y se empleaban en la caza. Entre las presas habituales se encontraba un lagomorfo hoy desaparecido, el Prolagus sardus, del que proceden los fragmentos de cráneo expuestos en el número 5. La pieza número 7 corresponde a la conocida como Venus de Macomer, un ídolo femenino de piedra con rasgos animales, que algunos especialistas sitúan en una fase tardía del Paleolítico. El recorrido concluye con el Neolítico Medio, que en Cerdeña coincide con la cultura de Bonu Ighinu, fechada entre el 4000 y el 3400 a. C. Además de las cerámicas expuestas, correspondientes a los números 18-19-21, pueden observarse las figurillas numeradas del 10 al 15 y 17. Estas representan una divinidad de formas amplias y generosas, conocida como la diosa madre de tipo volumétrico-naturalista, interpretada como un símbolo de fertilidad y regeneración.
