Собрание музея насчитывает более 130 000 единиц хранения. Всего по тематике и категории материалов в собрании числится 32 коллекции, в нём присутствуют все основные типы музейных источников: вещевые, изобразительные и письменные. Это памятники материальной и духовной культуры, документирующие главные аспекты истории Российского государства и Оренбургского края, охватывающие огромный исторический период — с эпохи верхнего палеолита (каменный век) и до сегодняшних дней.

Представительную часть собрания музея составляет археологическая коллекция – более 36 тысяч единиц хранения. Особая гордость — уникальные памятники Филипповских курганов — наследие кочевников-сарматов. Это культовые и бытовые предметы, украшения, оружие из золота, серебра, бронзы и резной кости, аналогов которым нет ни в одном музее мира. Коллекция получена по итогам раскопок некрополей сарматской аристократии степного Приуралья V–IV веков до н. э. и приобрела общемировое признание. Уникальные находки – «Золото сарматов» – стали одним из победителей конкурса «ТОП–1000 культурных и туристических брендов России» в 2021 г. и позволили войти музею в брендовый маршрут Оренбургской области «Горизонты открытий».

Богатая этнографическая коллекция содержит памятники материальной и духовной культуры представителей разных этнических групп, проживавших на территории Оренбургской губернии в XIX веке —более 2 тысяч единиц хранения. Это национальная одежда башкир, татар, мордвы, чувашей, казахов, русских, украинцев. Украшение коллекции — праздничные костюмы Оренбургских и Уральских казачек. Большую художественную ценность имеют и элементы декора – «серебряный позумент», «золотное шитьё», серебряные пуговицы в технике «зерни» и «скани», изготовленные ювелирами. На сегодня коллекция праздничных уральских костюмов из собрания нашего музея является лучшей в России.

В разделе редкого фонда старопечатных книг и рукописей хранятся памятники древнерусской, арабской и еврейской письменности. Хронологические рамки его XVI – начало XX вв. – 398 единиц хранения.

Арабская и еврейская письменность представлена в основном памятниками культового содержания. Славянская письменность включает культовые и исторические памятники, причём, присутствуют практически все известные жанры: жития, проповеди, хронографы, степенные, минеи, повести и.т.д. Среди них много рукописей и печатных изданий авторов, известных во всём мире.

В фонде хранятся 2 подлинных экземпляра знаменитой «Острожской Библии» (XVI век) первопечатника Ивана Фёдорова. Большую ценность имеют старообрядческие певческие рукописи, оформленные «Гуслицким» орнаментом, культовые книги в серебряных окладах, украшенные в художественном стиле «Барокко».

Раздел арабской письменности располагает редким артефактом, единственным в России образцом творчества великого османского каллиграфа Шекер-заде, образцы его каллиграфии хранятся в лучших мировых коллекциях исламского искусства.

Нумизматические памятники собрания музея (более 7,5 тысяч единиц хранения) документируют историю Российского государства практически с момента его становления, а также содержат  информацию по истории монетного дела Российского государства с появления первых монет и до сегодняшних дней, хронологические рамки коллекции XI–XXI вв.

Особый интерес представляют новгородские и киевские гривны XII–XIV веков, античные монеты V–IV веков до н.э.

Коллекция оружия в собрании музея насчитывает более 650 единиц хранения. В её состав входит огнестрельное и холодное оружие XVIII–XX вв. разного статуса: боевое, парадное, наградное, декоративное. Из наградного оружия большую историческую ценность имеют жалованные сабли XVIII века, вручённые российскими императрицами Елизаветой Петровной и Екатериной II казакам Яицкого и Уральского войска в качестве награды за верную службу.

Особое место в коллекции занимает раздел серебряного оружия. В него входят знаменитые кинжалы «Кама» — образцы ювелирного и оружейного искусства второй половины XIX века, изготовленные грузинскими и дагестанскими мастерами, а также знаменитые японские самурайские мечи «Катана». Бесценной реликвией является охотничье ружьё первого космонавта Ю.А. Гагарина.

Наиболее многочисленные коллекции – «Фотофонд» и «Документальный фонд» (более 23 тысяч единиц хранения). Существенная часть этих коллекций – результат экспедиций, которые были организованы на промышленные предприятия, в колхозы и совхозы области в 1970-80-е гг., и благодаря которым фонд музея пополнился комплексами «Трудовые семейные династии», «Ударные стройки» и т.п.

Одна из наиболее аттрактивных коллекций – естественно-научная – (более 6 тысяч единиц хранения) состоит из 4-х самостоятельных разделов: «Зоология», «Ботаника», «Палеонтология» и «Минералогия». Предметы естественно-научного характера являются одними из первых предметов, поступившими в собрание нашего музея и представлены уникальными чучелами животных, птиц, рыб, которые обитают на территории Оренбургской области, среди них –  занесенные в Красную книгу Российской Федерации. Некоторые чучела были изготовлены в конце XIX века и до сих пор имеют превосходную сохранность.