展館分《珍藏杭州—館藏文物精品陳列》、《最憶是杭州—杭州歷史文化陳列》和機動展廳三大部分。《珍藏杭州》系列展覽展出了杭州歷年來出土文物精品、杭州不可移動文物、館藏書畫精品、館藏文房雅玩珍品、館藏郵票等專題。《最憶是杭州》展覽與杭州八千年的深厚底蘊相得益彰，在史料、史證、史人、史事的基礎上，以歷史朝代為串線，講述杭州的發展歷程。
杭州博物館在承接原杭州市文物中心庫藏文物及資料之基礎上，經過多年來的考古發現移交和幾代文博工作者的辛勤征集，現有南館、北館文物庫房兩處，館藏規模已逾萬件，涵蓋了陶瓷、書畫、善本、碑帖、印譜、玉石、青銅、金銀、印章、竹木牙骨、民俗、錢幣、郵票、書籍等各類文物及資料、標本。庫房建築和保管設備均達到安全、堅固、適用要求，庫區配備有恒濕恒溫系統對館藏文物的保護。藏品儲存設備包括櫃體、排架、囊盒、布套等均嚴格按照藏品保存要求設計並制作。
自史前的跨湖橋文化、良渚文化，到歷史時期的吳越文化、南宋文化、明清文化等，杭州悠久的歷史造就了豐厚的歷史文化遺產，形成了完整的文化發展序列。
鎮館之寶戰國水晶杯，2002年已被國家文物局列入64件（組）首批禁止出國（境）展覽的珍貴文物名錄。杭博其它文物門類的收藏亦頗為可觀。良渚史前文化的玉器；古越國的青銅器；越窯、龍泉窯青瓷；宋代官窯瓷器、花鳥扇面；元代青花觀音像、鮮於樞墓葬出土文房用具；明清玉器、浙派、武林畫派的書畫作品等，皆自成陳列體系，不同特色折射出獨特的美學情趣。
這些藏品來源渠道廣泛：除了杭州博物館征集所得，亦有熱心公益的藏家捐獻；更有考古發掘所得。雖然藏品的經歷各不相同，卻都歷盡滄桑，成為歷史的見證。