Основу музейного собрания составляют уникальные коллекции по археологии, этнографии, истории и природе края. Археологическая коллекция, одна из самых многочисленных, представлена экспонатами широкого временного охвата, от каменного века до средневековья. Золотой фонд музея составляют серебряные, бронзовые и железные изделия, попавшие на территорию округа в конце I – начале II тысячелетия с Европейского Севера, из Волжской Булгарии, Верхнего Прикамья, Юго-Восточной Европы, Скандинавии, Сирии, Ирана. Здесь бронзовые и медные украшения, серебряные бляхи, браслеты и чаши (например, серебряная чаша с изображением двух львов), и др. Очень интересна коллекция с раскопок легендарного торгового города Мангазея. Последние и самые необычные археологические экспонаты поступили в музей в последние годы - это мумифицированные тела девочки и воина (IX-XIII век) из раскопок могильника Зеленый Яр. Хорошо сохранившаяся мумия воина, датируемая 1282 годом, уникальный экспонат, какой найдется далеко не в каждом музее.

На территории Ямало-Ненецкого автономного округа существует множество археологических памятников, уникальных и несущих своим исследователям все новые и новые открытия. Городище (жертвенное место) Усть-Полуй на территории Салехарда, Обдорский городок, Надымское и Мангазейское городища, могильник Зеленый Яр, городище Усть-Войкар и многие другие.

В 2006 году на территории Ямало-Ненецкого автономного округа проводились археологические раскопки городища (жертвенного места) Усть-Полуй, Обдорского городка, городища Усть-Войкарского. В результате раскопок на Усть-Войкарском городище собрана значительная коллекция артефактов из дерева, бересты, кожи и т.д. Наиболее интересные находки – круглая берестяная крышка с изображением двух взрослых лебедей и семи маленьких; целый кожаный башмак (поршень) со стелькой. Раскопки на Усть-Полуе в 2006 году стали продолжением третьего этапа в истории изучения этого уникального памятника. Насыщенность культурного слоя памятника артефактами достаточно велика. Было обнаружено около 100 изделий, представленных как в целом виде, так и фрагментарно из кости, камня, стекловидной пасты: песты и наковальни к ним, наконечники стрел, проколки, рукояти ножей, накладки на луки, скребки для обработки шкур, бусины и т. д. Небольшая часть коллекции представлена металлическими изделиями: отливками и гравированными пластинами. Все предметы поступили на хранение в фонды Музейно-выставочного комплекса.