Muziejaus rinkiniuose šiuo metu yra saugoma apie 144 000 muziejinių vertybių. Chronologiškai jos apima laikotarpį nuo akmens amžiaus iki mūsų dienų. Pagrindiniai skyriai, pagal kuriuos skirstomos muziejinės vertybės yra šie: archeologijos, istorijos, etnografijos.
Archeologijos rinkinys – gausiausias ir kasmet pasipildantis. Šiuo metu archeologijos rinkinį sudaro apie 81 000 muziejinių vertybių. Rinkinyje saugomi ypač vertingi archeologiniai radiniai iš Bandužių, Baitų, Slengių, Vidgirių kapinynų, Žardės geležies amžiaus gyvenvietės, Klaipėdos pilies ir miesto.
Istorijos skyriaus rinkinį sudaro apie 55 000 muziejinių vertybių, kuris susideda iš spaudos, dokumentikos, ikonografijos, kartografijos bei numizmatikos muziejinių vertybių. Didelę istorinę vertę turi fotografijų, negatyvų ir atvirukų kolekcija. Muziejus yra sukaupęs virš 16 600 fotografijų, kurios apima laikotarpį nuo XIX a. pab. iki šių dienų, virš 2 000 atvirukų. Daugiau kaip 10 400 eksponatų siekiančiame spaudos rinkinyje randama retų knygų ir periodikos leidinių. Tarp jų – Petro Dusburgiečio „Prūsijos žemės kronika“ (1679), Christopho Hartknocho knyga „Senoji ir naujoji Prūsija, arba dvi Prūsijos istorijos dalys“ (1684), M. L. Rėzos 1816 m. Karaliaučiuje išleista Biblija, taip pat Mišių knygos, išleistos Klaipėdoje, F. W. Horcho s-vėje (1842) ir kitos religinės bei pasaulietinės knygos.
Dokumentų kolekciją sudaro ~12 000 muziejinių vertybių iš XIX a. vid. – XX a. pr. Kolekciją 2021 m. papildė svarbus Ankerių giminės archyvas, kurį muziejui padovanojo Tilmanas Kroekeris, gyvenantis Vokietijoje. Archyvą sudaro dokumentai, nuotraukos ir giminės įspaudžiamieji atspaudai.
Kartografijos rinkinyje yra Ptolemėjaus, K. Hennenbergerio ir kt. žymių kartografų sudarytų žemėlapių. Numizmatikos kolekcijoje saugoma ~1 900 monetų ir 1 650 banknotų.
Sukaupta apie 8 000 etnografinių eksponatų. Tai namų apyvokos reikmenys, darbo įrankiai, medinės skulptūros, baldai, audiniai, kalvystės dirbiniai (kryžiai, jų detalės, architektūrinė ornamentika ir kt.).
Nedidelė, bet vertinga muziejaus paveikslų kolekcija. K. Eulensteino, C. Knaufo, A. Teichmanno, A. Savicko, G. Bagdonavičiaus paveiksluose užfiksuoti Klaipėdos ir Mažosios Lietuvos vaizdai.
Muziejaus rinkinius papildo privačių asmenų padovanotos muziejinės vertybės. Didžiausias yra A. Vorbecko fondas, kuriame sukaupta ~2 000 dokumentų, nuotraukų, pašto ženklų, laiškų ir kitų muziejinių vertybių, svarbių XIX a. pab. – XX a. pr. Klaipėdos miesto bei krašto istorijai. D. Varkalio fonde saugoma tematiškai labai įvairi Mažosios Lietuvos istorinį paveldą atskleidžianti medžiaga: dokumentai, fotografijos iš Lietuvos pokario gyvenimo ir rezistencinio judėjimo laikotarpio. Muziejuje depozito teisėmis perduoto architektūros istoriko dr. J. Tatorio rinkinyje saugomi Klaipėdos architektūros istorijai svarbūs dokumentai, jo paties lietos akvarelės. Tekstilės ir gintaro dirbinių kolekcija papildyta tautodailininkų J. ir V. Mickevičių dovanotais gintaro ir metalo suvenyrais bei papuošalais, taip pat jų austais rankšluosčiais, juostomis.
Jau keleri metai fotografijų ir atvirukų rinkinį papildo M. Kulčinskajos dovanoti eksponatai. Yra gauta fotokorespondento A. Stubros nuotraukų kolekcija, kurią sudaro ~1 200 nuotraukų. Jose užfiksuoti vaizdai iš Atgimimo laikotarpio.