动物考古实验室位于博物馆西楼105房间，面积约120平方米。动物考古主要通过分析和研究考古遗址中出土的动物遗存复原古代社会中人与动物的关系，涉及的主要问题包括：动物狩猎与人类行为演化、动物驯化与早期农业和社会、动物资源的利用与社会复杂化等。

实验室现生比较标本丰富，哺乳动物除了常见的驯化种属（猪、黄牛、水牛、牦牛、山羊／绵羊、狗、猫）外，野生动物种属如各种鹿类（马鹿、梅花鹿、狍子、麂子、獐等）和各种食肉动物（狐狸、貉、狗獾等）也有一定的收藏。实验室还收集有一定的啮齿动物、鸟类、鱼类以及贝类多个种属的完整骨架／标本。丰富的现生标本为考古遗址中出土动物骨骼的鉴定和分析奠定基础。

除现生动物标本外，实验室还配备有三台体式显微镜用于基础的骨骼表面痕迹观察。其它相关的研究与其它实验室共享超景深显微镜、3D扫描仪等。动物相关的同位素研究则与同位素实验室共享相关设备。

目前实验室中正在开展的项目主要有灵井遗址出土动物化石的埋葬学研究、灵井遗址的骨制品研究、新石器时代早期动物资源的利用模式、龙山至商代不同等级聚落中的动物资源利用、青铜时代早期仪式性埋葬动物研究、先秦时期骨器的生产与流通等。这些项目涉及多个时期、多个区域和多个研究主题。其中，2018年暑期举办的《中外合作制骨实验考古工作坊》对先秦时期制骨工艺研究具有重要意义。

依托于实验室的现生标本和研究项目，文化遗产研究院每年为研究生开设有专业课程《动物考古学研究》，这门课程的讲授中理论结合实践，为学生提供系统的动物考古学研究训练。