Dalla sala XX si può accedere al lapidarium, inaugurato nel luglio del 2006 sulla parte esterna del loggiato superiore del giardino quattrocentesco. La sezione dei marmi è una raccolta storicamente completa (classica - medievale - rinascimentale), in gran parte accumulata a seguito degli sterri eseguiti per lo spostamento del palazzetto e per altre collezioni confluite nel museo di Palazzo Venezia. Tra queste, spicca i marmi del Museo Artistico Industriale, sciolto nel 1957, e la collezione di Palazzo Mattei.

La sezione romana si distingue grazie ad alcuni pezzi del II-III secolo d.C. tra cui primeggiano le are di Iulia Iusta e di Porcia Iusta e i sarcofagi: su tutti, quelli di un bambino decorato con Eroti vendemmianti, frequente esempio di iconografia classica che venne mutuato in epoca cristiana, e quello con il clipeo del defunto sorretto da Nikai alate, sotto il quale appaiono Ganimede e l'aquila.

La sezione medievale presenta lastre e frammenti di plutei a nastri intrecciati del IX-X secolo, caratteristici delle strutture architettoniche che nel Medioevo separavano il presbiterio dai banchi dei fedeli, come le scholae cantorum, e che vennero rimosse nel XVI secolo in seguito ai dettami della Controriforma per avvicinare la zona dell'altare ai fedeli. A quest'epoca risale anche la Vera da pozzo, anch'essa decorata con croci e motivi fitomorfi a nastri intrecciati, appartenuta alla chiesa di S. Agata in diaconia al Quirinale, che mostra al suo interno i segni della corda del secchio per attingere l'acqua. Altro capolavoro della sezione medievale è, infine, la Transenna di S. Maria dell'Aracoeli, datata 1372, in cui appaiono i donatori Francesco de' Felici e la moglie Caterina inginocchiati in preghiera ai lati di tre rosoni lavorati a traforo.

Tra i pezzi della sezione rinascimentale una Vasca da lavabo attribuita a Mino da Fiesole, le statue dei Santi Agostino e Nicola da Tolentino, provenienti dall'antico convento di S. Maria del Popolo e il rilievo di scuola bregnesca raffigurante la Madonna col Bambino e i Santi Pietro e Paolo che le affidano la protezione della torre della Scimmia, un tempo collocato all'interno della torre.

Si segnalano, inoltre, in questa sezione, diversi elementi decorativi, tra cui alcuni pilastri a candelabre, la Lastra tombale del cardinale Giovanni Berardi, proveniente dalla chiesa romana di Sant'Agostino e l'Insegna dei Maestri di strade.