(на 1 января 2006 года) насчитывают 90951 ед. основного фонда и около 30 тысяч единиц вспомогательного. В естественнонаучной коллекции музея свыше 10 тысяч предметов. Наиболее ценными из них являются окаменелости мезозойской эры - нижняя челюсть мозазавра, отпечатки плиозавра на песчанике, позвонки ихтиозавра и др. Богаты остеологическая коллекция фауны плейстоцена кайнозойской эры - мамонт, бизон, носорог, гигантский олень, а также орнитологическая и оологические коллекции. Коллекция млекопитающих отражает видовое многообразие фауны Пензенской области.

 Большую историко-художественную ценность представляет этнографическая коллекция музея, насчитывающая более 4,5 тыс. предметов. Коллекции русского и мордовского (эрзянского и мокшанского) народных костюмов и украшений являются одними из полных в стране. В коллекции есть и уникальные предметы: цупрун - верхняя распашная девичья одежда из с. Б. Ижмора, белая девичья и синяя старушечья вздевалки из Кириллово, свадебная одежда и головные уборы из сел Ушинка и Кириллово Земетчинского района, а также праздничный женский костюм мордовки-мокшанки села Корсаевка Белинского района.

 Нумизматическая коллекция включает более 8 тысяч единиц хранения. Интерес представляют клады Ивана Грозного, Алексея Михайловича, Петра I, джучидских монет. В коллекции много наград Российской империи и советского периода, а также художественные медали и медальоны работы лучших российских медальеров - Ф. Толстого, Уткина, Леберехта, Чукмасова и др.

 Фонд редкой книги состоит из собраний книг XVIII-XIX вв. на русском, французском, немецком, латинском языках по различным отраслям знаний. Имеется периодическая литература XIX - нач. ХХ вв., а также книги с автографами земляков писателей, ученых.

 Фонд изобразительного и декоративно-прикладного искусства насчитывает около 2 тыс. предметов. В основном это произведения пензенских художников и скульпторов, есть несколько портретов примитивной живописи конца XVIII-XIX вв. Большую культурную ценность представляют подлинные живописные портреты пензенских губернаторов Ф. Л. Вигеля (нач. XIX в.), Ф. П. Лубяновского (1-я четв. XIX в.), А. А. Панчулидзева (1840-е гг.), пензенского головы П. В. Казицына (нач. XIX в.), а также портрет молодого Петра I работы неизвестного художника (XVIII в.).

 Весьма разнообразна коллекция русского, западно-европейского и восточного холодного и огнестрельного оружия XVI-XX вв. Среди них имеются клинки Златоустовского (мастер Бущуев) и Тульского заводов, есть немецкая шпага XVI в. известного золингенского мастера Вундеса и мн. др.

 Разнообразен фонд вещественных памятников: мебель конца XVIII-XX вв., изделия из металла (подсвечники, самовары, посуда), фарфоровая посуда китайского, японского и отечественного производства, изделия из стекла производства хрустального завода Бахметевых-Оболенских, образцы продукции пензенских заводов (посуда, велосипеды, часы).

 Богато представлен археологический фонд, насчитывающий свыше 7 тыс. предметов. Наиболее древние находки относятся к эпохе раннего неолита. В фонде находятся материалы пензенских неолитических стоянок, обнаруженных в 1920-х гг. Н. И. Спрыгиной, материалы из раскопок конца XIX в. проведенных В. М. Терехиным, М. Р. Полесских и др. Наиболее богатые коллекции происходят из древнемордовских могильников III-VIII в. Здесь оружие, разнообразные женские украшения из бронзы и серебра: височные подвески, сюлгамы, кольца, гривны, накосники. Интересны и разнообразны материалы, относящие к культуре волжских болгар и буртас - топоры, серпы, медный котелок, браслеты, бронзовые матрицы. В фондах хранятся также около сотни фатьяновских боевых топоров, скифские мечи-акинаки и другие находки.

 Фонд фотодокументальных материалов составляет около 40 тыс. ед. В него входят рукописи видных исследователей пензенского края Г. И. Мешкова, Г. П. Петерсона, А. Ф. Селиванова, Б. Н. Гвоздева, М. А. Лебедева, документы XVIII в., свитки и столбцы XVII-XVIII вв., личные фонды земляков - государственных и военных деятелей, артистов и писателей, ученых, краеведов, художников, музыкантов, организаторов и руководителей промышленного и сельскохозяйственного производства.