Cuối năm 2012, Trung tâm Nghiên cứu Kinh thành thuộc Viện Hàn lâm Khoa học xã hội Việt Nam chủ trì tổ chức nghiên cứu xây dựng dự án trưng bày di tích, di vật dưới tầng hầm Nhà Quốc hội. Tháng 10/2015, công tác thi công trưng bày được thực hiện và hiện đã hoàn thành, sắp sửa bàn giao. Không gian trưng bày gồm 2 tầng hầm phía Đông Nhà Quốc hội với diện tích 3.700 m2, giới thiệu một số loại hình di tích gốc và các thành phần cấu kiện gốc của di tích đã được di dời và di vật gốc tiêu biểu, đặc sắc nhất khai quật được tại khu vực xây dựng Nhà Quốc hội năm 2008-2009.
Tầng hầm 2 trưng bày thời kỳ Tiền Thăng Long (thế kỷ 7- 10) có diện tích gần 2.000 m2, thể hiện những phát hiện khảo cổ học về thời kỳ Tiền Thăng Long, thời kỳ trước khi xây dựng Kinh đô Thăng Long, gồm thời Đại La (thế kỷ 7-9) và thời Đinh - Tiền Lê (thế kỷ 10).
"Chúng tôi muốn tạo ra không gian mới để diễn đạt sống động nhất những giá trị, những phát hiện khảo cổ giúp người xem cảm thụ một cách sâu sắc và dễ hiểu. Cái khó nhất của chúng ta trong quá trình quảng bá di sản là bằng cách nào cuốn hút được người xem. Đó là giải pháp mà chúng tôi đưa công nghệ kết hợp, tương tác với kiến trúc, ánh sáng, âm thanh vào bảo tàng”, PGS.TS Bùi Minh Trí, Giám đốc Trung tâm nghiên cứu Kinh thành chia sẻ.
Bình minh Thăng Long là bức tranh bằng gốm lớn choán cả bức tường từ cửa vào tầng hầm. Tác phẩm được tạo bởi các loại gạch ngói có niên đại thời Đại La, Đinh - Tiền Lê đến thời Lý, Trần, Lê. Hình tượng lá đề và đầu ngói ống trang trí hoa sen lợp lên mái kến trúc cung điện thời Lý, là nguồn cảm hứng sáng tạo. Bức tranh gợi nhớ về lịch sử dời đô vào mùa thu năm 1010.
Các di tích nền móng kiến trúc cùng giếng nước, mộ ngựa, xâu tiền của các thời kỳ được tái tạo trưng bày dưới mặt sàn giống như công trường khai quật.
Năm 2008-2009, cuộc khai quật quy mô lớn được thực hiện trong diện tích 14.200 m2. Kết quả khai quật đã phát hiện được 140 di tích cùng hàng chục nghìn di vật của nhiều thời kỳ nằm chồng xếp lên nhau, minh chứng sinh động lịch sử phát triển liên tục, lâu dài của Trung tâm Hoàng thành Thăng Long qua 1.300 năm, từ thời Tiền Thăng Long (thế kỷ 7-10).
Ngói úp nóc bằng đất nung thời Đinh - Tiền Lê thế kỷ 10.
Đầu phía Bắc khu trưng bày là không gian tương tác, đặc biệt là trẻ em được tự do khám phá và trải nghiệm về khảo cổ học.
Bức tranh được làm từ các loại gạch, ngói mang tên Rồng bay có niên đại thời Đại La, Đinh - Tiền Lê và thời Lý, Trần. Cảm hứng của bức tranh được khơi nguồn từ hình tượng rồng thời Lý và ghi chép của sử cũ về sự kiện năm 1010. Mùa thu năm ấy, khi đến thành Đại La, vua Lý Thái Tổ thấy rồng vàng hiện lên và sau đó quyết định hạ chiếu rời đô từ Hoa Lư về đây và đổi tên Thăng Long (Rồng bay lên).
Tầng hầm 1 trưng bày thời kỳ Thăng Long (thế kỷ 11-18) với diện tích khoảng 1.700 m2, giới thiệu các di tích, di vật từ thời Lý, Trần, Lê.
Những di vật tìm thấy đã minh chứng Thăng Long không chỉ là kinh đô mà còn là thành phố thương mại sầm uất và nổi tiếng. Từ thế kỷ 15 đến 17, giao lưu giữa Thăng Long với các nước ngày càng phát triển. Nhiều loại gốm cao cấp của lò gốm Thăng Long đã tham gia vào thị trường mậu dịch quốc tế. Tại nhiều di tích như Hội An (Việt Nam), Pandana (Philippines) hay trên đất liền ở những nước tiêu thụ như Indonesia, Nhật Bản, Tây Á, Ai Cập người ta đã tìm thấy những đồ gốm Thăng Long.
Phía Bắc còn có phòng chiếu phim sức chứa 60 chỗ ngồi, giới thiệu về hình thái kiến trúc cung điện thời Lý qua kết quả khai quật, nghiên cứu khảo cổ học.