Alberga los descubrimientos hechos en el Altis, el yacimiento arqueológico de Olimpia: objetos que se remontan desde la prehistoria a la Grecia romana, incluido los siglos VI y VII.

2]​ La sala 1, a la izquierda del vestíbulo, está consagrada al periodo prehistórico, con los descubrimientos realizados en el yacimiento y en la región de Olimpia.

Los objetos expuestos pertenecen a periodos que abarcan desde el neolítico, alrededor del 4000-3000 a. C. hasta el periodo geométrico, siglo VIII a. C. Fueron sacados a la luz en el terraplén norte del estadio olímpico y constituyen los indicios de ocupación más antiguos.[Vi.

Además se descubrieron habitaciones abovedadas, que son las construcciones más antiguas presentes en el sitio.

Los vasos expuestos son característicos de este periodo; las «salseras», cántaros del tipo prochous, recipientes cuya forma está próxima al ánfora, fiales con una sola asa, kantharoi y askoi.

Los cántaros prochous y las fiales están decoradas, estampadas o incisas, en el labio, el asa o la base, lo que muestra las relaciones en el Heládico Antiguo entre Olimpia y la Cultura de Cetina, en la actual Croacia.

Los vínculos con la región dálmata fueron constantes durante mucho tiempo, como lo prueban las cerámicas y útiles del Heládico Medio (2000-1600 a. C.).[6]​[Vi.

Sus decoraciones recuerdan una procesión con sacerdotes llevando animales al sacrificio y un desfile de guerreros —caballeros e infantes con corazas—.

Estas placas fueron reutilizadas para recubrir objetos de madera que no se conservan.[Vi.

Entre estos encontramos armas, escudos, cascos, grebas y lebes, que son calderos de todos los tamaños, desde miniaturas, a talla normal o monumental, como el caldero sobre trípode más antiguo conservado, que se remonta al siglo IX a. C. También trípodes, figuritas y placas decoradas.

5]​ Estas ofrendas a Zeus provienen del inmenso altar formado por cenizas de animales que le fueron sacrificados en el Altis.

Los calderos de todos los tamaños eran también un tipo recurrente de ofrenda a Zeus y esta sala exhibe toda la variedad, como asas decoradas con caballos en los primeros tiempos y después, cada vez más, con figuras humanas o divinas como los Telquines.

6]​ A partir del siglo VII a. C. se desarrolla un «estilo orientalizante» integrando nuevos motivos, como leones, sirenas y sobre todo grifos.

Los objetos de bronce amartillados presentes son reseñables por su rareza, como el genio femenino alado, del cual subsisten incluso los ojos.

Las asas de los objetos usuales son cada vez más elaboradas: guerreros, ancianos apoyados en bastones (550 a. C.), korai (inicios del siglo V a. C.), esfinges opuestas en cada lado de una planta (570-560 a. C.), silenos alargados portando un cirio (530-520 a. C.).[Vi.

No obstante, se adivinan a Zeus, Atenea, Heracles, Poseidón y Ares.

11]​ Esta sala alberga ejemplos muy raros debido a su fragilidad de estatuaria monumental en terracota.

El grupo escultórico más célebre es el de Zeus raptando a Ganimedes,[9]​ representativo del estilo severo, obra de un taller corintio (480-470 a. C.), en el que Zeus luce la «sonrisa arcaica» y su mirada es expresiva.

Los cascos de Milcíades y Hierón I fueron consagrados a Zeus por sus respectivos propietarios.

Milcíades ofreció el casco[10]​ que llevaba durante la batalla de Maratón (490 a. C.), el cual fue encontrado en el terraplén sur del estadio.

Al lado se expone un casco asirio, botín de esta misma batalla y consagrado por los atenienses.

El frontón oeste representa el combate entre los centauros y los lápitas, bajo la mirada de Apolo, figura central.

El emplazamiento de las figuras fue elegido en función del lugar en el que se encontraron durante las excavaciones, cuyas interpretaciones a veces son divergentes y contradictorias.[14]​[Vi.

Las reconstrucciones más recientes proponen a Zeus como figura central, con el rayo en la mano.[14]​[Vi.

En los extremos hay una serie de mujeres lápitas que asisten horrorizadas a la lucha.

Hace un gesto de apaciguamiento con la mano derecha, aunque esté para ayudar a los lápitas.

13]​ Las doce metopas —1,50 x 1,60 m— que adornaban los frisos del templo estaban colocadas en dos grupos de seis, uno en el pródomo y otro en el opistódomo.

Posteriormente fue trasladada a la cella del templo de Hera, donde fue vista y descrita por Pausanias.

El conjunto escultórico representa a Hermes desnudo descansando apoyado en un tronco de árbol mientras juega con Dioniso recién nacido, al que sujeta con el brazo izquierdo mientras le enseña un racimo de uvas que tiene en la mano derecha, la cual se ha perdido junto con el brazo cortado por encima del codo.

Fue dedicado a Cibeles en el siglo IV a. C., después transformado en época romana en templo de Augusto y Roma.