Музейне зібрання Чернігівського історичного музею імені В.В.Тарновського нараховує понад 200 тисяч одиниць збереження і має не регіональне, а загальноукраїнське значення.
Найдавніший період історії Чернігівської землі, починаючи з доби пізнього палеоліту, висвітлюють пам’ятки археології. На особливу увагу серед них заслуговують зібрання хрестів-енколпіонів, давньоруські ювелірні вироби і прикраси, що надійшли у складі 8 скарбів та як індивідуальні знахідки, скарб гривень чернігівського типу, зброя Х – ХІІІ ст., у тому числі 6 мечів і 3 скрамасакси, дерев’яний колодязь Х ст., вислі печатки, пряслиця та амфори з графіті, знахідки Міжнародної Шестовицької археологічної експедиції.
Добре знана серед фахівців унікальна колекція речових і документальних пам’яток ХVІІ – ХVІІІ ст. – доби Гетьманщини, основу якої становить зібрання В.В.Тарновського. Вона містить козацькі клейноди, холодну і вогнепальну зброю, гармати, військове спорядження, посуд, одяг, в тому числі слуцькі пояси, вишиті окрайки, гапти, хатнє і церковне начиння, ювелірні вироби, серед яких 15 робіт видатного українського золотаря І.Равича, портрет Б.Хмельницького і авторську модель його пам’ятника скульптора М.Мікешина, речі, пов’язані з іменами Я.Остряниці, І.Мазепи, С.Палія, П.Полуботка, В.Кочубея, В.Дуніна-Борковського, Я.Лизогуба, М.Ханенка, Л.Барановича, І.Максимовича, Д.Ростовського, І.Скоропадського, К.Розумовського тощо. Документальні пам’ятки цієї доби репрезентовані 156 гетьманськими універсалами в оригіналах і копіях ХVІІІ ст., родинними архівами Забіл, Лашкевичів, Милорадовичів, Полетик, Тарновських, Шихуцьких, архівами судових установ, ратуш, монастирів, списками козацьких літописів, рукописними книгами, стародруками, серед яких – два примірники Острозької Біблії, перше чернігівське видання – “Перло многоценное” К.Ставровецького Транквіліона (1646 р.), 53 Євангелія у коштовних оправах.
ХІХ і ХХ століття представлені, крім майнових документів, приватної переписки представників вже згаданих дворянських родів, фондами видатних громадських і культурних діячів України П.Куліша і Ганни Барвінок, О.Марковича, І.Шрага, В.Горленка, Л.Глібова, О.Коваленка, І.Нечуя-Левицького, фотографіями і поштівками, листівками, у тому числі гектографічними відбитками, різних політичних партій. Безцінними реліквіями є два автографи Т.Шевченка, три листи М.Гоголя та мініатюрний портрет видатного письменника, написаний на зрізі кістки мамонта вірогідно О.Івановим, срібний вінок, покладений на могилу Куліша від І.Пулюя, переклад Біблії українською мовою, зроблений уродженцем Чернігівщини П.Морачевським, малюнки С. де Бальмена до творів П.Куліша, вулик П.Прокоповича, меблі з маєтків Галаганів, О.Рахманової (доньки декабриста С.Волконського), вишивки бісером тощо.

Про участь чернігівців у найважливіших подіях ХХ ст., розвиток економіки і культури, громадське життя краю розповідають документи, фотографії, нагороди, зразки продукції, побутові речі, зброя, мистецькі твори, меморіальні речі. З-поміж них можна виділити малюнки, фото, листи з Соловків представників “доби розстріляного відродження”; партизанські речі, листівки, стіннівки 1941-1945 рр.; комплекси речових і документальних пам’яток учасників оборони і визволення Чернігівщини від німецько-фашистських загарбників, видатних вчених і діячів культури – лауреатів Державних премій СРСР і України, льотчиків-космонавтів – вихованців Чернігівського вищого військового авіаційного училища льотчиків, ліквідаторів аварії на ЧАЕС і воїнів-інтернаціоналістів; матеріали, що висвітлюють діяльність політичних партій і національно-культурних товариств. В музеї зберігається орден Леніна, яким була в 1967 р. нагороджена Чернігівська область, і перший національний прапор, встановлений Чернігівською організацією Народного Руху України на своєму приміщенні в 1990 р.
Широко представлені в експозиціях і на виставках пам’ятки етнографії і нумізматики, вироби з фарфору і фаянсу. Багата сфрагістична колекція, в якій, зокрема, маємо 135 відбитків 15 модифікацій гетьманських печаток 1603 – 1765 рр., лягла в основу кандидатської дисертації “Козацькі печатки Гетьманщини другої половини ХVІІ – ХVІІІ ст. за архівними матеріалами Чернігівського історичного музею ім. В.В.Тарновського”.
За час існування музейна колекція зазнала значних втрат. Перший відчутний удар був завданий у 1933 р., коли за наказом Народного комісаріату освіти унікальна Шевченкіана (понад 1000 од), зібрана В.В.Тарновським, всупереч заповіту мецената була вивезена з Чернігова. Сьогодні переважна її частина зберігається в Національному музеї Тараса Шевченка та в Інституті літератури НАН України.
Протягом 1935–1941рр. новоствореному Чернігівському літературно-меморіальному музею М.Коцюбинського було передано майже 3000 експонатів. Передачі відбувалися і в повоєнний час. Причому стосувались вони не лише матеріалів, пов’язаних з Коцюбинським, але й архівів Куліша, Шрага, Глібова, Рашевського, Мордовця, інш.
Загалом, внаслідок передач пам’яток іншим музеям фонди Чернігівського історичного музею зменшились майже на 20 тисяч одиниць збереження. Це – зброя, військове спорядження, побутові речі козацької доби, у тому числі – шабля і булава Б.Хмельницького, чарка П.Полуботка; годинник Г.Сковороди; архів М.Ге; автографи Лесі Українки, Олени Пчілки, М.Рильського; твори П.Антокольського, В.Штернберга, Л.Жемчужнікова.
В 1953 р. з ідеологічних міркувань були вилучені і передані до Державного архіву Чернігівської області матеріали так званих буржуазних націоналістів С.Петлюри та М.Грушевського, листівки Центральної Ради, Директорії, гетьманського уряду, документи і нумізматичні пам’ятки періоду німецько-фашистської окупації. На початку 1990-х рр. частину з них повернули музеєві.
В 1983 р. майже 4 тисячі музейних предметів – скульптура, живопис, графіка, іконопис – відокремлені при створенні Чернігівського художнього музею.
Дуже постраждало музейне зібрання у роки Другої світової війни. Евакуювати вдалося лише половину експонатів і десяту частину бібліотечних фондів. Все, що залишилось в Чернігові, загинуло внаслідок бомбардувань і пожеж, було пограбоване і вивезене, лише поодинокі пам’ятки у 1940-х – 1950-х рр. були повернуті музею чернігівцями. В акті “Про розміри збитків, завданих німецько-фашистськими загарбниками Чернігівському історичному музеєві”, складеному 25 травня 1944 р., зафіксовано 28250 експонатів і 36560 книг. Серед них – 12 тисяч пам’яток археології, 300 од. меблів, 5 тисяч фотографій, 2500 ікон, 3000 виробів з фарфору, унікальна фреска ХІ ст. св.Текля; 2700 книжок бібліотеки Тарновського, 1700 – Милорадовича, 1600 – Лизогуба, 800 – Куліша, 10560 – Чернігівської духовної семінарії. В роки війни загинула вся облікова документація, тому скласти сьогодні повний, детальний перелік втрат дуже важко. Завдяки каталогам, статтям, згадкам у наукових виданнях знаємо, що пропала бандура І.Мазепи, дзвін з його гербом і портретом з Домницького монастиря; портрети представників козацької старшини і релігійно-культурних діячів, створені у ХVІІІ ст.; культові речі – вклади до церков і монастирів Чернігівщини; стародруки ХVІ – ХVІІІ ст.