Обращает на себя внимание собрание этнографических коллекций. Это предметы материальной и духовной культуры аборигенов, населяющих Сахалин: айнов, нивхов, сроков. В 1948 году директор Сахалинского краеведческого музея Б.А.Жеребцов собрал у айнов Южного Сахалина одну из самых древних и редких айнских коллекций. Эта коллекция включает в себя 160 предметов, в том числе деревянную и лаковую посуду, металлические украшения для одежды, лук и колчан для стрел, кисет для табака, мундштуки для курительных трубок.

Среди предметов естественной истории особое место занимает палеонтологическая коллекция. Это окаменелые отпечатки растений и животных, уникальные образцы позднемеловых аммонитов, окаменелые раковины головоногих моллюсков, отличающиеся высокой степенью сохранности, зуб мамонта и другие материалы. В фондах музея хранятся коллекции горных пород, минералов, цветных и поделочных камней (среди которых малокурильские агаты и янтарь с восточного побережья Сахалина), гербариев растений и сухих препаратов животных: моллюсков, ракообразных, иглокожих, насекомых, рыб, амфибий, рептилий, птиц, млекопитающих. Некоторые естественнонаучные коллекции были собраны еще в начале 20 столетия. В коллекции животного мира суши, морей и морских побережий Сахалина и Курил наряду с характерными обитателями представлены экзотические виды: бабочки — синий махаон (Papilio maackii) и павлиноглазка Артемида (Actias arternis), жук-олень (Lucanus maculifemoratus), моллюск морское ушко (Haliotis sp.), морские рептилии: кожистая черепаха (Dermochelys criacea) и черепаха-бисса (Eretmoshelys imbricata) — и другие животные.

Художественный фонд музея насчитывает около пятисот предметов. Это — живопись, графика, скульптура и декоративно-прикладное искусство. В 50-е годы Народная Республика Китай подарила Сахалинскому музею коллекцию декоративно-прикладного искусства. В ней — нефритовые скульптуры малых форм, китайские фонарики, металлические и фарфоровые вазы, украшенные традиционным орнаментом, вышивки на шелке и многие другие предметы.