Les collections gallo-romaines présentent deux ensembles thématiques : l'origine de la colonie romaine de Valence (Valentia), et son territoire.
Les vestiges archéologiques et les inscriptions latines, gravées entre le 1e et le 3e siècle après J-C, permettent ainsi d’approcher certaines facettes de la vie, des activités et des croyances des anciens Valentinois. Ces vestiges sont accompagnés d'un choix représentatif de l’habitat rural antique à travers un bel ensemble de maquettes réalistes, d'objets de la vie quotidienne retrouvés dans les villages, les agglomérations secondaires ou les relais routiers à la frontière du territoire de l'ancienne Valentia.
Dolia, inscriptions latines, blocs d'architecture monumentaux voisinent avec les objets plus modestes du quotidien. Cette présentation culmine sur le plateau des mosaïques, large plan libre regardant vers la cathédrale et le Rhône au nord. L’espace est consacré à la villa antique des Mingauds à Saint-Paul-Les-Romans, à la religion antique des Valentinois et à la manière dont ils rendaient hommage à leurs morts. La mosaïque des travaux d'Hercule, classée monument historique, et celle d'Orphée charmant les animaux permettent d’apprécier toute la richesse de cette grande résidence antique. Sur une rampe inclinée, une Tête d'enfant souriant côtoie celle d'un Homme âgé aux traits profondément creusés par la vie.