นับตั้งแต่พุทธศักราช 2510 เป็นต้นมา กรมศิลปากรได้ดำเนินการขุดค้นทางโบราณคดีที่บ้านเชียงหลายครั้ง โดยเฉพาะพื้นที่ในบริเวณเนินดินด้านทิศตะวันออก หลักฐานทางโบราณคดีที่พบส่วนใหญ่ คือ หลุมฝังศพกว่า 400 หลุม เป็นโครงกระดูกของมนุษย์ฝังร่วมกับสิ่งของเครื่องใช้ วัดโพธิ์ศรีในเป็นพื้นที่ดำเนินงานที่สำคัญแห่งหนึ่ง เนื่องจากพบหลุมศพของมนุษย์เป็นจำนวนมาก กรมศิลปากรจึงอนุรักษ์ไว้ และจัดแสดงหลุมขุดค้นในลักษณะพิพิธภัณฑสถานกลางแจ้ง มีการขุดค้นเพิ่มเติม และสร้างอาคารคลุม เมื่อพุทธศักราช 2535 กระทั่งเมื่อพุทธศักราช 2540 เกิดอุทกภัยน้ำซึมเข้าหลุมขุดค้นส่งผลให้โบราณวัตถุที่จัดแสดงได้รับความเสียหาย กรมศิลปากรจึงดำเนินการเก็บโบราณวัตถุมาทำการอนุรักษ์ในพุทธศักราช 2546 และได้ทำการจำลองหลุมขุดค้นในลักษณะเดิม เพื่อให้ประชาชนได้ชมร่องรอยการทำงานทางโบราณคดีเมื่อครั้งอดีต และโบราณวัตถุที่ผ่านการอนุรักษ์แล้วนั้นได้นำมาจัดแสดงไว้ ณ พิพิธภัณฑสถานแห่งชาติบ้านเชียง
หลุมขุดค้นวัดโพธิ์ศรีใน เป็นพิพิธภัณฑ์เปิดแห่งแรกของประเทศไทย สร้างเป็นอาคารชั้นเดียวครอบหลุมขุดค้นที่จัดแสดงการขุดค้นชั้นดินในระดับต่าง ๆ ซึ่งพบว่ามีโครงกระดูกมนุษย์และภาชนะดินเผา แสดงให้เห็นถึงความเชื่อและวิธีการฝังศพของคนยุคก่อนประวัติศาสตร์ เมื่อ 2,3001,800 ปีมาแล้ว โดยโครงกระดูกมนุษย์จะหันศีรษะไปทางทิศตะวันออกเฉียงใต้ มีเครื่องมือประเภทขวานและหอกเหล็กวางอยู่ ส่วนปลายเท้าของโครงกระดูกมีภาชนะดินเผาลายเขียนสีบรรจุเปลือกหอยน้ำจืดกระดูกสัตว์และยังพบร่องรอยแกลบข้าวติดอยู่ที่สนิมของเหล็ก ซึ่งต่อมาพิสูจน์ได้ว่ามีการเพาะปลูกข้าวในยุคสมัยนั้น