Zbiory historyczne Muzeum stanowią przede wszystkim zabytki związane z przeszłością Ostrowca Świętokrzyskiego i jego okolic. Obejmują: militaria, numizmaty, medalierstwo, tłoki pieczętne, falerystykę, archiwalia oraz bogatą kolekcję fotografii i kart pocztowych. Z historią miasta związane są dokumenty i pamiątki cechowe, między innymi „obsyłanka” cechu szewców ostrowieckich czy XIX-wieczne pieczęcie cechowe krawców i garncarzy. Do szczególnie cennych dokumentów należy testament Lwa Sapiehy z 1663 roku, pisma kancelarii Jana Sobieskiego, pisma z podpisami Stanisława Augusta Poniatowskiego, Jacka Małachowskiego, Władysława Sikorskiego oraz Konstancji Sanguszkowej. Zbiory Działu Historii to ponadto numizmaty, w tym monety rzymskie z Chmielowa, piastowskie z Karczmisk oraz monety nowożytne polskie i obce – między innymi tzw. skarb kunowski, zawierający monety złote i srebrne z okresu od XV do XVIII w. Muzeum posiada pokaźną kolekcję militariów, a wśród nich ciekawe egzemplarze broni wschodniej z XVII-XVIII w., unikatowy sztandar z haftowanym orłem związany z Powstaniem Styczniowym, sztucer myśliwski firmy Johann Springer z II połowy XIX w. oraz jeden z dwóch zachowanych egzemplarzy pistoletu automatycznego „Bechowiec” z 1944 r. W zbiorach znajdują się również zabytki związane z Zakładami Ostrowieckimi – pisma, dokumenty, fotografie, plany, a także ciekawe przykłady wyrobów hutniczych i pamiątki po pracownikach. Muzeum ma też pod opieką bogatą kolekcję regionalnej prasy konspiracyjnej z czasów okupacji hitlerowskiej. Żydowską przeszłość Ostrowca dokumentują też zgromadzone judaica – fragment Tory, kieliszki kidduszowe, lichtarze i naczynia.
Na zbiory artystyczne składają się fajans i porcelana ćmielowska, ludowa ceramika denkowska, malarstwo, grafika, fotografia i rzemiosło artystyczne XIX i XX w. Ostrowieckie muzeum posiada jedną z większych muzealnych kolekcji wyrobów fabryki ćmielowskiej z niemal wszystkich okresów jej działalności – od I poł. XIX w. do czasów obecnych. Wyróżnić należy serwis obiadowo-deserowy Rococo-Sèvres z początku XX w., porcelanę użytkową wg projektów Bogdana Wendorfa, Bogumiła Marcinka, Józefa Wysockiego, Wincentego Potackiego, Romana Szlachetki. Garncarstwo lokalne reprezentują okazy dziewiętnastowiecznej cechowej ceramiki denkowskiej oraz duży zbiór tzw. ludowej ceramiki denkowskiej z 2 poł. XX w. Klasyczne dyscypliny sztuki – malarstwo, grafika, rysunek – to głównie dzieła artystów wywodzących się z okolic (Antoni Piotrowski), artystów czasowo związanych z Ostrowcem (Maksymilian Brożek, Jan Fazanowicz), a także lokalnych twórców (Teofil Kłosiński, Maryla Żakowska, artyści z „Grupy 10”). W zbiorach znajdują się również prace tematycznie związane z regionem, m. in. grafiki wg rysunków Dalbergha. Muzealia artystyczne to również obiekty szklane, srebrne i posrebrzane firm polskich i obcych z przełomu XIX i XX w. – patery, cukiernice, kosze do ciast i owoców, świeczniki. Zbiory są od niedawna uzupełniane o prace lokalnych fotografów amatorów oraz archiwa fotografów zakładowych (m. in. Narcyza Pawłowicza i Jana Grześkiewicza). Reprezentacyjny wybór ze zbiorów artystycznych eksponowany jest na wystawie stałej na parterze Pałacu.