Cea mai mare parte a colecţiilor muzeului sunt constituite din materialele arheologice rezultate în urma investigaţiilor efectuate de grupul de cercetări a Academiei Române, în anii ’50, dar şi din piese paleolitice rezultate în urma săpăturile de pe terasa Ciungi – Bicaz (1964, 1967, 1969) şi Izvorul Alb (1979, 1980).

Prin achiziţii şi donaţii, la muzeu s-a constituit o colecţie etnografică valoroasă şi o colecţie de lucrări de artă reprezentând epopeea barajului (lucrări realizate de Iulia Hălăucescu, Dumitru Irimescu, Brăduţ Covaliu, Vasile Dobrian, Nicu Enea, Ştefan Hotnog etc.).

Totodată, de-a lungul anilor s-a format o colecţie de obiecte de istorie modernă şi contemporană.

Numărul mare de obiecte rezultate din săpături, achiziţii şi donaţii a impus permanent operaţiuni multiple pe linia inventarierii, reinventarierii şi fişării materialelor, astăzi numărul de piese de muzeu ajungând la peste 8000.