A 20. század elején alapított Képtár gyűjteményét többnyire a budapesti Szépművészeti Múzeumból érkező 68 alkotás, illetve további 15, Bernády György polgármester által vásárolt mű alkotta. A két világháború közötti időszakban a múzeum vezetője, Aurel Ciupe képzőművész gyűjtőtevékenységének köszönhetően (1932–1940) számos értékes román művészeti alkotás került a múzeumba. A második világháborút követően a múzeum állománya számos adomány – Ion Vlasiu, Nagy Imre, Eugen Gâscă képzőművészek, illetve a David házaspár felajánlásai – révén, valamint műtárgyvásárlás útján folyamatosan gyarapodott. Napjainkban a múzeum állománya 2500 tételt meghaladó képzőművészeti alkotással rendelkezik.
A Természettudományi Múzeum kezdetei 1952-ig nyúlnak vissza, ekkor került az első biológus szakember a múzeumhoz. 1965-ben jött létre az a műhely, amelyben az alapkiállításban jelenleg is szereplő preparátumokat készítették. Az utóbi évtizedekben a múzeum munkatársai a gyűjtemény állandó gyarapítása mellett, annak főként időszaki kiállításon történő népszerűsítésére is hangsúlyt fektettek. Az őslénytan, az ásványok tárgykörébe sorolható, a növények, gerinctelen (csigák, kagylók, rovarok) és gerinces (madarak, emlősök, vadásztrófeák) állatok világából származó, 60000 ezer tételt meghaladó gyűjtemény terepi kutatások, különféle adományok és vásárlások eredményeként jött létre.
A Maros Megyei Múzeum Történeti Osztálya az intézmény egyik legrégebbi és leggazdagabb gyűjteményét kezeli. Ebben olyan különlegességek is megtalálhatóak, mint az egykori Székelyföldi Iparmúzeum anyagának máig fennmaradt töredékei, de alapját főként az 1950-es évektől zajló, Marosvásárhely mellett az egész régió területére kiterjedő gyűjtőmunka révén kialakult állomány képezi, mely egyaránt tartalmaz bútorokat, kerámiát, üvegtárgyakat, textíliát, technikatörténeti emlékeket, valamint dokumentumokat és fényképeket, melyek főként a jelenkortörténet számára értékesek. A gazdag anyagból a Bernády György polgármester személyéhez, a munkásmozgalom történetéhez, a marosvásárhelyi céhek életéhez kötődő tárgycsoportok emelhetőek ki. Bár sajnos nem számottevő mennyiségben, de a gyűjtemény őriz tárgyakat az 1944-ben feldúlt környékbeli kastélyok pompás berendezéséből is. Az utóbbi évek vásárlásai során a gyűjtemény kimagasló értékű bútordarabokkal és ötvöstárgyakkal is gyarapodott.
A régészeti gyűjtemény, a múzeumnak a megye területét fedő gyűjtőterületén végzett régészeti feltárásaiból, véletlenszerűen felszínre került tárgyi emlékekből, adományokból és egykori közgyűjtemények (a marosvásárhelyi Római Katolikus Gimnázium, Református Kollégium, Pedagógiai Főiskola stb.), illetve főúri magángyűjtemények (pl. Teleki Domokos gernyeszegi gyűjteménye) anyagából áll össze. A múzeum őrzi a mezőbándi bronz kincsleletet, amely Európa egyik legnagyobb depólelete. Gyűjteményünk páratlan kincse a marosfelfalusi bronz fibula, amely 1924-ben került napvilágra. A közel 30000 tárgyat számláló gyűjteményben kiemelkedő fontosságú a marosvásárhelyi vár és Vártemplom kutatásából származó fém- és kerámia anyag, illetve a maroskeresztúri római település leletanyaga. A fentiekhez hasonló, jelentős, ám kisebb felületen kutatott lelőhelyek leletanyaga is a múzeum raktáraiban kapott helyet: Mikháza, Marosvécs, Nagyernye, Mezősámsond, Magyarózd, Maroslekence, Marosludas, Dedrád, Görgényszentimre, Vajdaszentivány stb.