Vi è documentata la dinamica del popolamento della zona dall'epoca protostorica al periodo medievale. In età etrusco-romana la Valdinievole ha rappresentato soprattutto un territorio di transito, in cui alcuni luoghi di sosta dovevano rivestire caratteri di sacralità come testimonia il bronzetto di Ercole Promachos della metà del III secolo a.C., ritrovato nel 1887 presso Castelmartini.
La frequentazione romana è documentata nella fascia pedemontana del Montalbano, come attestano i complessi archeologici di Villa San Paolo al Pozzarello, di Vaiano e Segalare da cui provengono i reperti ceramici e laterizi esposti.
Nei secoli XI e XII si definisce il sistema insediativo dei castelli che punteggiano i rilievi collinari prospicienti il Padule di Fucecchio. Numerosi i reperti in ceramica (dalla acroma grezza alle maioliche) esposti in museo.
Elemento centrale della sezione è il modello tridimensionale del castello di Monsummano Alto (oggi ridotto a rudere) che propone l'ipotesi ricostruttiva del tessuto insediativo del "borgo murato" riferita al XIV secolo, momento in cui il castello, entrando a far parte del dominio fiorentino (1331) divenne un importante presidio a difesa del confine con la Repubblica di Lucca. Una delle poche architetture che si è conservata fino ad oggi è la bella chiesa di San Nicolao (fondata nel secolo XI). Da questa chiesa proviene la pregevole scultura della Madonna col Bambino (bottega toscana di Benedetto Buglioni ?, fine del XV-inizi del XVI secolo).
