Su colección abarca cerca de 7.000 objetos relacionados principalmente con las áreas de paleontología, arqueología, e historia de Chile y del mundo. En sus salas posee sectores dedicados a cada tema:
Paleontología: Contiene fósiles de distintas especies.
Prehistoria de Chile: Posee objetos relacionados con las diversas culturas aborígenes del país.
Prehistoria de América: Exhibe artículos pertenecientes a culturas prehispánicas del continente.
Conquista: Posee documentos que pertenecieron a Pedro de Valdivia y armas utilizadas en la época.
Colonia: Se exhiben objetos de uso cotidiano en la época, incluyendo monedas y muebles del período.
Arte litúrgico: Contiene imaginería religiosa de diversas épocas, principalmente de los siglos XVII y XVIII.
Independencia de Chile: Posee el acta de instal de la constitución de la Primera Junta Nacional de Gobierno de Chile de 1810, un piano que perteneció a Bernardo O'Higgins y la banda presidencial de José Miguel Carrera, entre otros.
República: Contiene objetos relacionados con la Guerra del Pacífico, la Revolución de 1891, y la incorporación de la Isla de Pascua al territorio chileno, entre otros acontecimientos.
Modernidad: Muestra que contiene objetos relacionados con los siglos XIX y XX, incluyendo aparatos de radio, cine y tecnologías de comunicaciones.
Armas: Exhibe armamento utilizado desde la antigüedad hasta la Segunda Guerra Mundial.
El gran rescate: Sala donde se exhiben elementos de la minería alusivos al famoso rescate de los 33 mineros atrapados en la Mina San José en el año 2010. Esta colección posee también una réplica de la cápsula Fénix II, en la que estos mineros fueron rescatados.
Salón del Automóvil: Posee modelos de vehículos de diversas épocas, incluyendo un Dupressoir La Ponette de 1903, un Ford A de 1931 y el monoplaza que utilizó el piloto chileno Eliseo Salazar cuando participaba en la categoría Indy Car.
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