Le musée de l’Hôtel-Dieu regroupe et présente les collections issues des importantes découvertes archéologiques réalisées dans Cavaillon et sa proche région. Ces objets témoignent de l’occupation et du développement urbain de Cavaillon depuis la préhistoire jusqu’à l’époque moderne, en passant par l’antiquité et le moyen-âge.
Située sur la Durance, axe de liaison naturel entre les Alpes et la Méditerranée, Cavaillon est, dès l'Antiquité, un point de passage à l'Est du Rhône pour aller du Nord au Midi. A compter du 5e siècle avant J.-C., l'occupation humaine est établie à la fois sur la hauteur à l'abri d'un rempart (oppidum de la colline Saint-Jacques) mais aussi dans la plaine : la cité de Kabellion, riche comptoir commercial, constitue le terme septentrional stratégique du domaine de Massilia (Marseille), soit l'arrière-pays avec lequel la cité phocéenne, fondée par des Grecs en 600 avant Jésus-Christ, entretient des liens privilégiés, à tel point qu’on la nommera elle-même « ville de Marseille »…

Vue panoramique du versant sud de la colline Saint-Jacques de Cavaillon
Au tournant du 1er siècle marqué par une romanisation progressive, d’abord culturelle puis politique, des populations et institutions locales, la colline est abandonnée au profit de la plaine. La cité romaine ancre définitivement son tissu urbain à l’est de la colline, à l’emplacement même de celle du moyen-âge et du centre ville actuel.
Dans sa forme ancienne de musée lapidaire, la Chapelle de l’Hôtel-Dieu donne à voir des pièces remarquables – stèles gallo-grecques et romaines, statuaire dont la tête d’Agrippine (1er siècle), l’autel du haut moyen-âge de la Cathédrale, les peintures murales du 17e siècle de l’hôtel Dupuy-Montbrun – tandis que le corps d’entrée est entièrement consacré à la préhistoire locale.