Sus colecciones provienen principalmente de excavaciones realizadas por investigadores de la institución y de donaciones.

El museo cuenta con un registro que supera los 12.000 objetos, distribuidos en tres secciones:

Arqueología
Caracteriza todas las culturas prehispánicas regionales del norte semiárido chileno (Atacama-Coquimbo): 1. Período Paleoindio (12000-8000 a.C) de cazadores de fauna de gran tamaño, caracterizado con el sitio Quereo; 2. Período Arcaico (8000-200 a.C) con poblaciones cazadoras-recolectoras; 3. Período Agro-Alfarero con: a) el Complejo Cultural El Molle (130 a.C-700 d.C); b) Las Ánimas (800-1000 d.C) y c) Cultura Diaguita (1000-1536 d.C).

Etnografía
Exhibe expresiones culturales de los principales grupos étnicos del territorio nacional, por ejemplo, Mapuches, Rapanui y Selk´nam.

Paleontología
Está formada por fósiles de vertebrados e invertebrados, especialmente de origen marino.