Nella cripta, durante i lavori di restauro della chiesa, sono stati scoperti diversi allineamenti murari caratterizzati da grossi blocchi squadrati pertinenti alla cinta muraria etrusca (IV sec. a.C.). In due vetrine sono stati esposti reperti etruschi arcaici (bucchero, impasto) ed ellenistici (ceramica grigia e a vernice nera) ivi rinvenuti nonché un coperchio di urna cineraria con iscrizione etrusca (III sec. a.C.).
Lo scavo archeologico ha messo in luce un santuario, orientato nord-sud, dalla pianta rettangolare (m 17 x 22) molto simile a quella dei templi etruschi di cui parla Vitruvio nel De Architectura. Il podio era in grossi blocchi di pietra con il pronao munito di quattro colonne poste su due file ed una scalinata di accesso scavata nella roccia. I materiali pertinenti all'apparato decorativo del tetto (ricostruito in Museo) riconducono alla metà del IV secolo a.C. Il santuario ha avuto però altre due fasi di vita: la più antica alla fine del VI secolo a.C. e l'ultima al II secolo a.C.
La cinta muraria medievale, sul lato ovest, ha rilevato la presenza di sottofondazioni in bozze di piccola pezzatura, di una soglia e stipiti di una porta urbica con rampa di accesso da ricondurre all'epoca etrusca ellenistica. I resti inglobati nelle mura castellane medievali sono visibili e raggiungibili dal piazzale del Cassero passando per la Porta Perugina recentemente riaperta.
L'indagine archeologica eseguita nell'ultimo baluardo difensivo della medievale Castiglion Fiorentino, costruito dai Perugini alla metà del XIV secolo, ha riportato alla luce murature di una fortificazione precedente alla costruzione del Casseretto, una cisterna di scarico delle acque e vani medievali addossati alle mura. Un breve percorso sotterraneo, sotto l'attuale piano di calpestìo, rende visibili i resti delle mura urbiche etrusche e strutture di abitazioni etrusche di epoca ellenistica poste sotto le fondamenta delle abitazioni medievali.
A Palazzo Pretorio si trova il Museo Civico Archeologico della città.
L'esposizione archeologica castiglionese si caratterizza per la peculiarità del suo sistema informativo multimediale attraverso il quale è stato privilegiato l'aspetto didattico.
Il museo, che raccoglie i reperti provenienti dagli scavi effettuati, racconta la storia di Castiglion Fiorentino e del suo territorio. Il percorso si articola in cinque sale dedicate a varie tematiche inerenti l'antico nucleo abitato ed il suo agro costellato di insediamenti che vanno dall'Età del Ferro all'epoca tardo antica ed oltre: i bronzi degli Etruschi con il deposito di Brolio, il tempio etrusco dell'area del Cassero, l'insediamento antico di Castiglion Fiorentino dalle origini all’incastellamento, l’agro castiglionese, Brolio Melmone, insediamento etrusco di produzione e di commercio lungo il Clanis e le attività svolte in questi insediamenti quali la pesca, la filatura e la tessitura e l'uso della scrittura sulla ceramica.