Археологическое собрание музея. В музее хранятся коллекции предметов,  полученных в ходе раскопок археологических памятников Южного Урала и Сибири. Они относятся к историческим эпохам энеолита, бронзы, раннего железного века, средневековья. (Поступили в 1977–1992 гг. и после 2011 г.)

Эпоха камня представлена различными орудиями.  Это скребки, ножи, наконечники стрел и копий, нуклеусы,  выполненные из уральской яшмы зеленого, сургучного и других цветов, а также из кремня разнообразных оттенков; «утюжки», топоры, диски-утяжелители  из камня других пород. Музей располагает керамикой этого времени (фрагменты сосудов, пряслица), скелетными останками доисторических животных (рога тура, череп шерстистого носорога, кости и зубы  мамонта).

Широко представлена в собрании музея эпоха бронзы. Гордостью коллекции являются предметы, обнаруженные на поселении Аркаим  (раскопки 1987-1991 гг.) и в Аркаимском некрополе (могильник Большекараганский). Ценность археологическому собранию придает яркий вещевой материал, полученный при раскопках других памятников «страны городов» – Могильника Степное 7,  поселения Стрелецкое, др., а также памятников периода средней и поздней бронзы.  Среди названных предметов - керамические сосуды, орудия и оружие из бронзы (ножи, топоры, наконечники стрел, серпы, крючья, шилья, иглы, долота);  оружие и орудия из камня, керамики. Интерес представляют свидетельства развития  металлургии (сопла, шлаки), коневодства (резные костяные псалии), а также  женские украшения из бронзы, самоцветов, пасты. В собрании имеются особо редкие находки, к примеру, скульптурка медведя с поселения Петровка IV, др.

Из предметов раннего железного века наиболее яркими являются большие бронзовые котлы с зооморфными ручками, зеркала, боевые топоры и ножи, наконечники стрел. Необычайной выразительностью отличаются каменные жертвенники, сбруйные бляшки, выполненные в скифском зверином стиле.

Эпохе средневековья представлена в коллекции музея оружием  (железный меч, сабля, наконечники стрел), деталями лошадиной упряжи и воинских доспехов, женскими украшениями, керамическими сосудами, др.

Этнографическое собрание музея содержит предметы  русского, башкирского, татарского, нагайбакского, мордовского этносов, а также предметы промышленного и кустарного производства первой половины — середины 20 в.

Русские представлены в коллекции  несколькими группами предметов. Это одежда и ткани, обувь, инструменты и приспособления для исполнения ремесленных и хозяйственных работ, предметы домашнего обихода, др.

В собрание одежды и тканей входят образцы домоткани и одежды начала- первой половины 20 в. Особую редкость представляет форменная гимнастерка и сапоги оренбургского казака. В русской коллекции музея имеются инструменты для ручного ткачества, для валяния валенок и плетения лаптей, плотницкие инструменты и различные кузнечные изделия, широко представлены предметы домашнего обихода: посуда (керамическая, фаянсовая и стеклянная), мебель, предметы ухода за детьми, предметы культа и т.п.

Коллекция башкирских предметов включает ткани: женскую  и мужскую одежду, полотенца, скатерти, занавески, предметы домашнего быта,  приспособления для рыболовства, др. Татарские и мордовские предметы немногочисленны, но довольно редкие. К числу относится татарский девичий головной убор нач. ХХ в., мордовский женский костюм с головным покрывалом. Среди нагайбакских предметов - женский костюм, вышитые концы полотенец, отдельные предметы домашней утвари.​