Esta colección es mayormente resultado de las excavaciones realizadas dentro de los Programas de investigación permanente del Templo Mayor. Por un lado, el Proyecto Templo Mayor, fundado por Eduardo Matos Moctezuma y que a la fecha cuenta con siete temporadas de excavaciones, las tres primeras de ellas dirigidas por el propio Matos y las cuatro restantes por Leonardo López Luján. La creación del Museo, la actualización de sus contenidos y la presentación de exposiciones temporales se ven enriquecidas por los trabajos realizados en lo que se ha constituido como un centro de investigación de la cultura mexica. Entre los hallazgos más importantes del Proyecto Templo Mayor están las ampliaciones del Templo Mayor, la Casa de las Águilas, el Cuauhxicalco y, por supuesto, el monolito de la diosa de la tierra, Tlaltecuhtli.

El programa de Arqueología urbana fue creado en 1991 y estudia los siete siglos de historia acontecida en el área que ocupara el Recinto Sagrado mexica, mediante la realización de excavaciones de rescate o salvamento arqueológico, en varios inmuebles y predios del Centro Histórico de la Ciudad de México. De todos los hallazgos realizados en el marco de este programa, resulta de particular importancia la localización de cerámica tolteca de la fase Tula (900-1000), la ubicación del Juego de Pelota más importante del Recinto y siete ofrendas dedicadas a Tláloc, encontradas en La Casa de las Ajaracas y Las Campanas, estas últimas construidas sobre la plataforma del Templo Mayor, además de la ubicación y rescate de los restos del Calmécac.