Собрание Орловского краеведческого музея насчитывает более 170 тысяч единиц хранения, в том числе свыше 114 тысяч предметов основного фонда. Формирование коллекций началось задолго до открытия музея. Решением Орловской ученой архивной комиссии, постановившей начать работы по созданию губернского музея, с сентября 1884 г. ведется «Памятная Книга», в которой регистрируются по мере поступления «вещи… дареные различными лицами, равно купленные комиссией». К моменту открытия музея в 1897 г. его собрание насчитывало более 2,5 тысяч единиц хранения: живопись, графика, скульптура, фарфор, хрусталь, предметы убранства интерьеров, редкие книги, документы, фотографии и др.В числе первых поступлений были предметы из коллекции нумизматики. Это русские монеты XVI – XVIII веков с периода правления Ивана Грозного по царствование Екатерины II. Сегодня коллекция нумизматики насчитывает более 20 тысяч единиц, в том числе 2 клада русских серебряных монет XVI – XVII веков общей численностью более 3 тысяч единиц; клады екатерининских пятаков и серебряных рублевых монет первой половины XVIII века. Основу коллекции составляют монеты России с XVI по XXI век. Кроме того, музей располагает европейскими и восточными монетами X – XX веков, небольшим, но интересным собранием античных монет.Археологическая коллекция музея, насчитывающая более 20 тысяч предметов, начала складываться в конце XIX века. Ее основу составили материалы археологических раскопок орловских краеведов П.П. Еременко (курганы Брянского и Ливенского уездов), С.А. Чуева (курганы у деревень Пеклино и Ивановичи Брянского уезда), В.Р. Апухтина (стоянки каменного века на территориях Орловской и Тульской губерний) и многочисленные индивидуальные случайные находки. В конце 1920-х гг. коллекцию пополнили материалы раскопок директора музея П.С. Ткачевского, исследовавшего курганы и городища Орловской губернии. В последующие годы археологические исследования на территории Орловской области вели специалисты Деснинской экспедиции Института истории материальной культуры, экспедиции Института археологии Академии наук СССР под руководством кандидата исторических наук Т.Н. Никольской, а также археологический отряд Научно-производственного центра по охране памятников истории и культуры Орловской области под руководством Л.Н. Красницкого. В настоящее время планомерные раскопки на территории области ведутся старшим научным сотрудников музея С. Д. Краснощековой, изучающей период бронзового века и русское средневековье. Коллекцию музея пополняют и многочисленные случайные археологически находки. Одной из последних случайных находок, подаренных музею, стала каменная баба, найденная при проведении земляных работ на окраине пос. Верховье Орловской области, весом более 150 кг., высотой 80 см. Находка каменной бабы единична не только для Орловской области, но и для всего региона. Специалисты датируют скульптуру IX – XI вв. и называют уникальной, не имеющей аналогов. Наиболее ценными в историческом и культурном плане являются коллекции палеолитических каменных орудий труда; ювелирных украшений VIII – XIII вв. (медь, бронза биллон, стекло); каменного, бронзового и железного оружия с IV – III вв. до н. э. по XVII в. включительно; комплексные находки с территории древнерусского города XII – XIII вв. у д. Слободка Шаблыкинского района Орловской области.Начало формирования коллекции керамики также относится к концу XIX в. Она представляла собой одно из наиболее полных собраний фарфора и фаянса среди областных музеев РСФСР. В период оккупации коллекция была разграблена. Сегодня, оставаясь самой значительной среди музейных собраний керамики Орловской области, она насчитывает более 700 единиц. В коллекции музея присутствует восточный фарфор, который всегда притягивал европейцев техническим совершенством, своеобразием форм, стилевыми, сюжетными и колористическими особенностями росписи. Первый фарфор в Европе был получен в Саксонии, где в 1710 г. была основана Майссенская фарфоровая мануфактура. Собрание саксонского фарфора достаточно представительно, это вазы, туалетные и письменные приборы, праздничная нарядная посуда. Один из любимых мотивов росписи мейсенского фарфора – свободно размещенный на белом фоне букет цветов с крупной розой или тюльпаном в центре и мелкие веточки вокруг. В коллекции музея присутствует и фарфор других известных европейских мануфактур, в том числе севрской, берлинской, венской, копенгагенской. Самый старый фаянс в коллекции представлен знаменитыми делфскими вазами. В конце XVIII века в Англии Джозайя Веджвуд из «каменной массы» различных тонов выпускал сосуды строгих классических форм. Украшением коллекции веджвудского фаянса является бледно-голубая ваза, принадлежавшая нашему прославленному земляку генералу А.П. Ермолову. В русской части керамической коллекции – самобытные гжельские кумганы и квасники, фантастические скопинские фигурные сосуды, но более всего привлекателен старый фарфор. Это великолепные большие торжественные вазы петербургского императорского фарфорового завода со сложной миниатюрной полихромной росписью; скульптура, вазы, столовая и чайно-кофейная посуда лучших частных предприятий России – Гарднера, Попова, Миклашевского, предпринимателей Кузнецовых. Продукция завода братьев Корниловых в Петербурге, адресованная, преимущественно аристократии, отличается изяществом и элегантностью. Камерный характер имеет корниловский кофейный сервиз «tete-a-tete». Его отличают спокойные гладкие формы, тонкость и изящество невесомых чашечек, мягкая и нежная колористическая гамма. Керамика советского периода с 1920-х гг., в том числе агитационный фаянс, также входит в музейное собрание.
В музее сосредоточены этнографические коллекции Орловского региона, собранные в результате полевых исследований. Они отражают важную для истории края часть этнокультуры. Среди них коллекции предметов хозяйственной деятельности, материальной культуры, а также вещи, функционирующие в культовой практике и в сфере изобразительного искусства. Большинство предметов относится ко второй половине XIX – первой половине XX вв. Интерес представляют коллекции сельскохозяйственных орудий труда, промыслового снаряжения, глиняной и деревянной посуды, утвари, традиционного крестьянского костюма, вышивки, ткачества, кружева, прикладного искусства.
Коллекция крестьянского костюма насчитывает более 400 предметов. Это верхняя одежда, обувь, головные уборы, полные праздничные костюмы и отдельные элементы одежды – рубахи, завески, поневы, кушаки. Традиционный поневный комплекс южновеликорус- ского костюма дополняет комплекс с сарафаном и юбкой. Полные женские праздничные костюмы крестьянок Болховского, Новосильского, Должанского и других районов Орловской области соседствуют с девичьими нарядными костюмами из Болховского и Троснянского районов. Они отличаются яркостью и гармоничным сочетанием вышивки, кружева и узорного ткачества. Дополнениями служат блестящие, сложные головные уборы: кички, сороки, повязки, кокошники, а также радужные пояса и кушаки, разноцветные атласные ленты и бусы. Мужская одежда представлена рубахами-косоворотками и портами. Рубахи отличаются разнообразием. Сшитые из сатина и красного атласа, украшенные вышивкой крест и гладь, они отражают целую эпоху в мужском костюме.
Кроме вышеперечисленных, в состав музейного собрания входят коллекции живописи, графики, скульптуры, стекла и фалеристики, предметов декоративно-прикладного искусства, исторического холодного и огнестрельного оружия, небольшая, но очень интересная коллекция русского медного художественного литья. Обширная фототека располагает редкими и уникальными фотографиями конца XIX – XX вв. с видами Орла и уездных – районных городов Орловской области. В музее хранятся письменные памятники XVII – XXI вв., собрание редкой книги включает рукописные фолианты и старопечатные издания.
Музей постоянно ведет систематическое комплектование фондовых коллекций, которые ежегодно увеличиваются, примерно, на 2 тысячи единиц.