Η Εποχή του Χαλκού διαιρείται σε τρεις κύριες περιόδους, την Πρώιμη (3η χιλιετία π.Χ.), τη Μέση (α΄ μισό της 2ης χιλιετίας π.Χ.) και την Ύστερη Χαλκοκρατία (1540-1100 π.Χ.). Στην αίθουσα παρουσιάζονται ευρήματα της Πρώιμης και Μέσης Εποχής του Χαλκού, αγγεία και μικροαντικείμενα που σχετίζονται με τις καθημερινές πρακτικές του ανθρώπου, από την Άργισσα και τη Μαγούλα Δήμητρα. Μοναδικό, εμβληματικό εύρημα της ενότητας αποτελεί το μεγαλιθικό μνημείο (μενχίρ) από τη Σουφλί Μαγούλα, όσον αφορά στο επίπεδο ιδεολογίας για την Πρώιμη Εποχή του Χαλκού.
Η Ύστερη Χαλκοκρατία ταυτίζεται με την περίοδο που είναι ευρέως γνωστή ως Μυκηναϊκή. Πρόκειται για την εποχή κατά την οποία πλάθονται οι θεσσαλικοί μύθοι, όπως η δημιουργία του Δωδεκάθεου, οι περιπέτειες του Απόλλωνα με τις θεσσαλές θνητές Κορωνίδα και Δάφνη, η Κενταυρομαχία, η γέννηση του Ασκληπιού, ο Ποσειδώνας με την τρίαινά του, ο Πηλείδης Αχιλλέας και οι υπόλοιποι αρχηγοί που έλαβαν μέρος στην εκστρατεία κατά της Τροίας. Η περίοδος εκπροσωπείται από ευρήματα της ευρύτερης περιοχής του νομού Λάρισας, με ιδιαίτερη έμφαση στα ταφικά σύνολα από το Μεγάλο Μοναστήρι.
Στην Εποχή του Σιδήρου, από τον 11ο και ως τον 8ο αι. π.Χ., σημειώθηκαν μετακινήσεις πολλών φύλων από τα ορεινά διαμερίσματα της ηπειρωτικής Ελλάδας προς τις πεδινές περιοχές και παράλληλα από τον ελλαδικό χώρο προς τα νησιά και τα παράλια της Μικράς Ασίας και την Κύπρο. Η Θεσσαλία υπέστη έντονα αυτήν την κινητικότητα, αφού σ’ αυτόν και από αυτόν το χώρο μετακινήθηκαν τουλάχιστον έξι φύλα: οι Αινιάνες, οι Αιολείς, οι Βοιωτοί, οι Θεσσαλοί, οι Λαπίθες και οι Μάγνητες. Η περίοδος αυτή αντιπροσωπεύεται στη Θεσσαλία σχεδόν αποκλειστικά από ταφικά ευρήματα, αφού τα οικιστικά κατάλοιπα (λείψανα αψιδωτών κτιρίων) είναι λίγα και αποσπασματικά.
