Sur l’aile ouest du cloître s’ouvrent deux salles qui servaient autrefois de réfectoire et de cuisine aux carmélites. Elles sont consacrées aujourd’hui à l’exposition des fouilles menées depuis 1973 par l’Unité d’Archéologie de la Ville de Saint-Denis, au chevet nord de la basilique. Une évocation du passé le plus lointain de la ville s’efforce de faire la part du mythe et de l’histoire de saint Denys, premier évêque de Paris, décapité et martyr au IIIe siècle, qui donnera son nom à la ville.
La formation de la cité est présentée à l’aide d’une maquette réalisée à partir d’une vue perspective de 1575, montrant la cité au XVIe siècle avec ses multiples églises et chapelles, son palais abbatial, ses portes et ses remparts.
De nombreux vestiges (fibules, éléments vestimentaires, monnaies…) attestent de l’importance du site. Un remarquable ensemble de sculptures romanes provenant des abords de la basilique royale témoignent de l’inspiration des sculpteurs, mêlant iconographie religieuse et allégories. Les objets retrouvés lors des fouilles et présentés au musée permettent de reconstituer ce qu’était la vie urbaine durant la période médiévale. Les échanges (la foire du Lendit), l’habitat (matériaux et mobilier), la cuisine et l’alimentation, le mobilier usuel et les activités artisanales ainsi évoqués se complètent pour offrir un riche panorama de la vie quotidienne au Moyen Âge dans la cité dionysienne.
Le parcours se poursuit avec la présentation d’un ensemble de céramiques médiévales, abordées sous les angles technique, fonctionnel et décoratif présentant les différentes méthodes de fabrication utilisées par les potiers, la relation entre la forme du récipient et ses fonctions (évolution morphologique des poteries usuelles) et les techniques de décor (glaçure, estampage, motifs peints,…)