博物館收藏數量逾9萬件。博物館的藏品，除直接添購外，亦通過捐贈或實地考察采集得來，其中捐贈物品的數量正不斷增加。
1.自然歷史藏品
自然歷史藏品記錄了香港的地質及自然生態的發展歷史和演變。博物館的自然歷史藏品主要包括巖石和礦物標本、貝殼及動物標本三大類。博物館已收藏約2800件香港巖石和礦物標本，以及超過750件在香港水域內找到的貝殼。館藏的動物標本超過1600件，包括哺乳類動物、鳥類及蝴蝶。
2.考古文物藏品
館藏的考古文物主要由四批藏品組成，分別是麥兆良神父在廣東海豐地區發現的文物、芬戴禮神父在南丫島發掘的文物、李鄭屋漢墓出土的58件東漢時期陪葬品，以及1976年以前香港考古學會在本港境內發掘出土的文物。這些考古藏品記錄過去6000年來香港地區的人類活動，是研究香港古代史的重要材料。
3.民俗藏品
博物館建立了壹個能反映香港不同族群傳統生活習尚的藏品，包括農具、家具、農村及漁民日用器具、捕魚裝備、漁船模型等，有助於闡明及了解農民及漁民的生活方式，以及傳統農業耕作方法與漁業狀況。同時，館藏的服飾已達5500多件，年代從晚清至1970年，屬於不同族群、年齡，以及社會階層人士穿著的服裝及飾物。從這些文物可探知各族群的地理環境、歷史發展、價值觀念、神話傳說、宗教信仰及風俗習慣等，有助研究本港族群的歷史文化。
在搜集有關傳統行業及生活用品上，博物館已收藏850多件木偶戲用品及樂器、1500多件婚嫁及祭祀用品、各類傳統行業用具及文獻。這些豐富的民俗藏品皆有助於研究香港傳統節慶、信仰習俗及民間工藝的發展。
4.本地史藏品
博物館的本地史藏品總數超過70000件，其中的歷史圖片和舊明信片是研究香港歷史的珍貴資料，因為它們能夠如實反映早期香港的生活面貌。館藏的14000余幀歷史圖片，主要為二次大戰以前香港街景及民生景象，而最早的圖片可追溯至1860年。另外，博物館亦收藏約19000件歷史文獻，包括賬簿、證件、商業及政府信劄和教科書等，有助於研究香港社會、經濟及教育等方面的發展。
博物館亦致力搜集本港郵品，館藏約4000件郵品，有助於研究香港郵務發展史。同時，館藏約5500件的錢幣及鈔票大多為香港歷年來使用的貨幣，但亦涵蓋廣東及澳門等地的貨幣，借以勾尋香港與鄰近地區經濟發展的脈絡。此外，博物館還搜藏不少工業產品、商業用品、家具、孫中山先生本人及其家族的文物，而前港英政府各部門器物更是博物館在1997年回歸時積極搜集回來的藏品。
位於九龍公園內的香港歷史博物館，使人們在公園遊玩放松的同時，還可從中感知香港的過去，學習香港的歷史知識。