Ergänzend zur kurpfälzischen Geschichte nimmt die Stadtgeschichte bedeutenden Raum ein. Unter den mächtigen Kellergewölben des Palais wird mit Grabsteinen, Steinskulpturen und Bauteilen die »steinerne« Geschichte der Stadt vom Mittelalter bis um 1800 dargeboten.

Hinzu kommt ein Raum, der den Ergebnissen der stadtarchäologischen Grabungen auf dem Kornmarkt und dem Museumsgelände gewidmet ist. Im Erdgeschoß des Palais wird die neuere Entwicklung seit 1800 unter den Stichworten »Heidelberger Romantik«, »Revolution 1848/49«, »Heidelberg um 1900« und »Nationalsozialismus« beleuchtet. In weiteren Räumen werden Zeugnisse der Universitätsgeschichte und regelmäßige Präsentationen zu stadtgeschichtlichen Themen gezeigt.